船舶生活污水系统电源改造

赵 亮， 张 铭

（中石化海洋石油工程有限公司上海船舶分公司， 上海 201208）

0 引言

本文以三用工作船某拖轮为例，由于船舶航期短、靠泊码头频率高、时间长，因此经常接岸电使用，但是由于真空马桶系统是690V 电压，导致无法使用真空马桶，船员无法大小便，这就要求我们对真空马桶系统进行改造，以便船舶在任何情况下都能正常使用岸电。

1 船用生活污水系统真空系统工作原理

船用真空马桶系统主要是利用真空泵产生真空，马桶利用真空将马桶内的排泄物及污水抽入到生活污水处理装置。 例如船员如厕完毕，手动按下按钮，真空马桶排水并且真空打开抽取马桶内排泄物和水进入管道， 从而把排泄物抽入生活污水处理装置，处理达标后排出舷外。这个过程当中由于真空形成水流可以轻松冲洗马桶内壁，使用者无需接触排泄物，也不用再次刷洗马桶，从而方便船员使用，减少清洁时间。真空的产生主要是利用两台真空泵，一台运转另外一台备用，通过真空控制器来控制真空泵自动启停，当真空不够时真空泵自动运转，达到真空度时真空泵停止运转。

2 改造思路

总体改造思路是更换船舶生活污水系统真空马桶电源690V 为440V， 从而改动电路相关电气元件逐一完成改造。 主要是从以下三方面开始：

（1）查看电机能否改造（一般情况下电机都可以改变末端接线），真空马桶电机可以在690V、440V 两种电压下运行；某拖轮真空泵电机使用690 伏电压，电机2.5kW，拆开电机后盖发现电机可以在690V/440V 下运行，电机接线盒内预留了短接片和接线桩，接线图也附在盒盖上，这就充分说明此电机可以在两种电压下运行，满足改造条件。

（2） 电源改造， 船舶一般由四种分电箱，AC690V、AC440V、AV230V、DC24V， 电源线从690V 分电箱更换到440V 分电箱，查看440V 分电箱功率是否足够、备用开关是否预留，一般情况下每个分电箱都有预备的电源开关，以备需要时直接接入线路就可以正常使用， 使用时还要查看主开关是否满足功率和保护要求， 在断路器上就可以查看额定电流。是否可以正常铺设新的电缆，铺设电缆要求铺好电缆架，穿孔时根据要求做好水密，在遇到高温或者尖锐物做好保护，使用扎带捆扎电缆。

（3）控制箱内电气元件更换，满足控制启动、保护需求；更换电气元件后重新计算保护参数，通常情况下，电压的改变需要的功率、电流都会变化，因为本次改造是把电压降低所以电流要增大，控制箱内的断路器、保险丝、热继电器都要更换或者调节参数，理论计算后还要根据实际运转情况调节参数，首先要更换变压器，原边电压从690V变为440V，输出控制电压230V 没有变化，但是变压器的容量还是要维持原来的水平，例如原来是100kVA，更换的变压器也要100kVA， 热继电器动作是5A 但是更换电压后通过计算调节保护电流为合适的电流， 从各方面考虑调试调整参数。

3 电路图设计

图1 改造前电路图

原电路图设计的电路思路是三相交流电压690V 输入系统，经过主开关S0 控制进入系统，SO 是控制箱内第一道保护电器元件，OS 开关的全称是Overload Switch，中文翻译为过载开关。它是一种保护电路的装置，可以在电路负载过大时自动切断电路， 避免电路过载而导致设备损坏或者火灾等危险。 OS 开关通常采用热保护原理，即在电路负载过大时，OS 开关内部的热敏元件会感应到电路中的热量，从而触发开关动作，切断电路。 OS 开关的额定电流和额定电压是其重要的参数，用在选择OS 开关时需要根据实际需要选择合适的型号。 OS 开关是一种电子开关，用于控制电路的开关状态。它可以在电路中起到开关、断路、接通等作用，从而控制电路的通断，通常用于家庭电器、电子设备、机械设备等领域，可以实现对设备的开关控制， 方便使用。 此外，OS 开关还可以用于安全保护，例如在电路出现故障时，OS 开关可以自动切断电路，避免电器设备受到损坏或者人员受到电击等危险在检修中可以断开主开关从而切断所有电源， 电压进入系统后分别经过三个断路器F1.1、F2.1、F6.1 保护把电压引流到真空泵M1、M2、及控制线路中，断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器， 高低压界线划分比较模糊，一般将3kV 以上的称为高压电器。断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护， 当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路， 其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。 而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。已获得了广泛的应用。在此之中通过接触器K1、K2 来分别控制真空电机的运转，接触器是用来接断带负载的主电流的自动化切换器，一般安装在主回路中，用来控制负载电器，比如说接触器可以控制电机的开关等等，它适合频繁操作、远距离控制。 接触器的工作原理为：当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，使得动铁芯被吸合，进而带动触头系统的三条动触片发生动作，主触点闭合，辅助常闭触点断开，辅助常开触点闭合，接通电源。 当线圈断电时，静铁芯的电磁吸力消失， 弹簧的反作用力使得动铁芯与静铁芯分离，触头系统的三条动触片动作，使得主触头断开，辅助常闭触点闭合，辅助常开触点断开，切断电源。 接触器是一种用来接通或断开带负载的交、直流主电路或大容量控制电路的自动化切换电器。 其主要控制对象是电动机。此外，也用于其他电力负载，如电热器、电焊机、照明设备等。 接触器能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制，是自动控制系统中的重要元件之一。通用接触器可分为以下两类： 交流接触器主要由电磁机构、 触头系统、灭弧装置等组成，常用的有CJ10、CJ12、C112B 等系列交流接触器。 电压通过F6.1 经过变压器， 使电压降为AC230V，给控制线路提供电压，经过保险丝的保护安全使用，如果电路发生了故障，比如有短路的问题，电流就会不断的升高，有可能就会导致电路的损坏，而且还会影响到电器，严重的会导致火灾的发生。 但是安装了保险丝， 当电流出现异常的时候， 达到一定的高度，就会熔断保险丝，从而能够切断整个电路，起到了保护的作用。

图2

电压进入控制回路，通过F1、F2 热继电的保护，接触器辅助触点互锁的保护进入启停阶段， 如果是手动启动真空泵电机，直接把转换开关S1.1、S2.1 达到手动就可以使各自的接触器线圈得电吸合从而使电机运转。 平时主要的启动方式是通过真空控制器来控制电机的启停。 复位按钮S20 的主要功能是当电机运转故障时停止转动，通过切断时间继电器线圈电压使得K20 闭合为下次启动做准备，也是保护启动的一个步骤。

图3

上图主要是控制箱内外接接线排的指示图， 需要从控制箱内接到外部电器元件的线路都要经过统一的接线排接出， 方便安装和布线。 深色框内的电机就是需要改造的，也就是我们电机接法的改造。

改造后的电路图主要说明改变的地方， 电源电压改为440V/60Hz，B 变压器更换为440V/230V， 电机出现改为三角形接法。

图4 改造后电路图设计

4 改造前设备相关参数

（1）电源参数：690V 60Hz。

（2）变压器：690V/230V 100kVA。

（3）码头岸电参数：可提供电压0～440V，频率0～60Hz，功率200KW 以内，满足真空马桶正常运行功率。

（4）电机：2.2～2.55kW 3A 星型接法。图5 为电机星形接法。 电机星形接法时有中性点， 电机一般都是三相对称负载，所以不引出中性线， 具体方法是电机的三相绕组的三个尾连接在一起，三个头接电源， 这时有两种电压等级， 即线电压和相电压， 且线电压等于相电压的√3 倍，线电流等于相电流， 在电动机的星形接法中，电动机的三根线标记为U1、V1、W1，引出接电源，另外一边U2、V2、W2 三根线短接在一起，形成一个星形结构，因此电动机的星星接法也叫Y 型接法。星形接法优点是降低了启动电流，降低了绕组承受电压，从而降低绝缘等级。 缺点是电机功率减小。

图5 电机星形接法

5 设备改造

5.1 电机改造

电机拆开接线盒后，查看电机具备690V 和440V 两种电压运行性能， 原电机使用690V 电压运行时电机是星接法， 如果使用440V 电压电机接线改为三角形接法后可以使用，此转换在电机接线盒内完成，所以把电机接线改为三角接法完成电机改造。

具体操作：接线盒内连接片由单个短接三相电路改为三片分别相连，使得电机绕组成三角形连接， 图6是改造后电机接线图。

图6 改造后电机接线图

电机三角形接法时没有中性点，具体方法是电机的三相绕组的头与尾分别连接，这时只有一种电压等级， 线电压等于相电压，线电流等于相电流的√3 倍。因接线形状似三角形，所以这种接法叫做三角形

三角形接法优点是提高电机功率，缺点是启动电流大，绕组承受电压大，从而增大了绝缘等级。

5.2 变压器更换

变压器是给控制回路提供电源的电气元件， 变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置， 主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗、安全隔离等。在发电机中， 不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势。 此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。 变压器就是一种利用电磁互感应变换电压、电流和阻抗的器件。一般控制回路都是230V 电压，通过控制回路可以实现电机的自动启、停、保护、报警输出等功能，原本变压器是690V/230V，根据改造要求更换为440V/230V 变压器， 控制箱内更换为同样容量的变压器440V/230V，拆下接线后更换变压器打孔安装固定，接好原边、副边线路，控制回路其它元件不变，可以继续使用，完成控制箱改造。

5.3 电源线路铺设

机舱布线的方式应当根据机舱设备的性质、要求、用电设备的布局及环境特征等因素，应避免外部热源、灰尘聚集及腐蚀、污染的存在对电缆带来影响。并且还要防止在铺设和使用过程中因受到船舶震动、冲击、其它设备的摇摆等外界压力作用而使电缆带来损伤。 还要注意静电或者感应点的影响， 距离其它电气设备太近产生的感应电影响后期真空电机的运转。电源更换，原本从真空马桶控制箱接到690V 分电箱的三根电源线接到440V 电源箱，重新铺设电缆，绑扎、箱体打孔安装固定电缆，接到440V 电源箱备用开关，完成电源线路改造。

5.4 测量调试系统

测量电机、控制线路绝缘、绑扎整理控制箱内接线；启动前需要用绝缘摇表测量三相绕组对地绝缘，以及控制箱内控制线路对地绝缘，确保各项电气设备对地绝缘良好。 线路改装完后对控制箱内线路进行梳理，对多股电线进行扎带绑扎、固定，电线放入排线槽并且盖好线盖，确保电线不松弛或者搭在电气元件上，对控制箱进行清洁，清除箱内掉落的线头、电线、扎带等杂物。

调整电气参数元件，通过计算和运行更换主隔离电源开关S0，主要是选择相应额定电流的开关，隔离开关采用三级热磁断路器， 可以说它是一种专门为电动机的控制和保护而设计出的元件。 电动机断路器的接线方法是采用了螺钉夹紧端子的连接设计方式， 并且还能够选择采用环型接线端子或者是弹簧接线端子进行接线。 首先弹簧端子能够在很大程度上确保连接的安全性， 同时具有持久性以及耐用性的夹紧动作， 有效的抵抗了严峻且苛刻的安装环境，起到抗震动、抗冲击等特点。 测试调节断路器F1.1、F2.1、F6.1 保护动作参数， 先选择合适电流量程的断路器，然后调节电流数值，类似于热继电器动作保护电流。

完成参数调整后启动系统查看真空泵自动启停时间以及真空度是否达到使用要求， 首先查看真空度是否能达到，真空度不够就会导致吸力不强，不能把粪便吸进管路，其次就是电机拉真空度的时间不能过长，电机长时间运转拉不下真空度就会导致电机发热或者过载。 经过测试本次改造两项指标均达到要求。 船舶生活污水系统电源改造项目完成。

6 结束语

（1）改造后船舶以后靠任何码头都可以接岸电使用，不影响船员正常生活。

（2）厂修期间船舶可以接岸电方便设备修理、船员生活、节省修船成本。

（3） 应急发电机带停泊发电机模式可以在船舶靠码头、修船（未接岸电情况下）、抛锚期间正常使用，从而节省燃油消耗。

（4）该改造项目具有较强的可操作性、实用性和推广性，可在同类型690V 电压船舶推广使用。 目前某三用工作船真空马桶系统改造完成后已经运转六个多月， 从未出现任何故障。