覃 漢

(梧州船舶檢驗(yàn)局，廣西 梧州 543000)

0 引言

船舶是一個(gè)在水上活動(dòng)的獨(dú)立體，船舶電力系統(tǒng)雖然沒(méi)有陸地上的那么大型，但也是一個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng)，也是由電源、電網(wǎng)、配電等裝置組成，但發(fā)電、供電和用電都是在船上完成，是船舶航行安全和船員正常工作生活的保證。由于船舶存在空間小、溫度高、濕度大、振動(dòng)多、傾斜大、易受沖擊等特點(diǎn)，導(dǎo)致船舶電力系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，電氣設(shè)備容易出現(xiàn)相互干擾、出力不足、接觸不良、損壞及老化等問(wèn)題，因此，船上的電氣設(shè)備需要比陸地上的更加優(yōu)良。隨著船舶不斷大型化、電氣化和智能化，對(duì)船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。73.8 m多用途貨船是西江流域在建船舶中最新最大的其中一種船型，現(xiàn)以該船的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，簡(jiǎn)述船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和方法。

1 電源裝置的設(shè)計(jì)

船舶電源有發(fā)電機(jī)或蓄電池兩種。按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《內(nèi)規(guī)》)規(guī)定，主電源可采用由獨(dú)立的原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組，或者由推進(jìn)主機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，或者蓄電池組。對(duì)于動(dòng)力操舵裝置，為主機(jī)服務(wù)的各種輔機(jī)、消防泵、艙底泵等船舶正常運(yùn)行所必需的設(shè)備均為電力供電時(shí)，應(yīng)至少設(shè)置2臺(tái)與主機(jī)獨(dú)立的發(fā)電機(jī)組。這些發(fā)電機(jī)組的臺(tái)數(shù)和容量，應(yīng)能在任何一臺(tái)發(fā)電機(jī)組停止工作時(shí)，仍能對(duì)船舶正常航行、安全和冷藏貨物的設(shè)備供電，并保證最低舒適的居住條件。該船應(yīng)最少設(shè)置2臺(tái)與主機(jī)獨(dú)立的發(fā)電機(jī)組，其中的一臺(tái)作為備用。另外還需設(shè)置一定的蓄電池組，供航行信號(hào)燈等DC24V設(shè)備用，并供主輔機(jī)啟動(dòng)用。

1.1 交流發(fā)電機(jī)的選取

1.1.1 電力負(fù)荷的計(jì)算

根據(jù)船體和輪機(jī)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)提供的舾裝和輪機(jī)設(shè)備情況，統(tǒng)計(jì)船舶用電設(shè)備的額定功率、效率、同時(shí)使用系數(shù)等數(shù)據(jù)，利用三類(lèi)負(fù)荷法來(lái)計(jì)算電力負(fù)荷，把負(fù)載分為三類(lèi)，第Ⅰ類(lèi)為連續(xù)使用的負(fù)載，如舵機(jī)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)、照明燈、無(wú)線(xiàn)電和助航設(shè)備；第Ⅱ類(lèi)為間歇使用的負(fù)載，如消防泵電動(dòng)機(jī)、艙底泵電動(dòng)機(jī)、錨機(jī)電動(dòng)機(jī)、油水分離器電動(dòng)機(jī)等；第Ⅲ類(lèi)為偶爾使用的負(fù)載。按照航行狀態(tài)、進(jìn)出港狀態(tài)、停泊狀態(tài)、應(yīng)急狀態(tài)、裝卸貨狀態(tài)進(jìn)行電力負(fù)荷計(jì)算。得出結(jié)果見(jiàn)表1：

表1 電力負(fù)荷計(jì)算匯總表

1.1.2 確定發(fā)電機(jī)

根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)，該船在機(jī)艙設(shè)置三相交流發(fā)電機(jī)組兩套，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SGTH-30，功率為30 KW，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，由41.5 KW的柴油機(jī)帶動(dòng)。發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行，兩套發(fā)電機(jī)組互為備用。這樣設(shè)置滿(mǎn)足了船舶各種狀態(tài)下的電源需求；有一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)，而且還有≥80%的貯備，滿(mǎn)足規(guī)范要求；不用發(fā)電機(jī)并車(chē)運(yùn)行，操作維護(hù)方便。發(fā)電機(jī)的選取設(shè)置合理適用。

1.2 蓄電池組的配置

按照《內(nèi)規(guī)》規(guī)定，設(shè)置了2臺(tái)發(fā)電機(jī)作為主電源的船舶，應(yīng)至少設(shè)置一組蓄電池組，供應(yīng)DC24V的航行信號(hào)燈、報(bào)警裝置、通信系統(tǒng)、操舵控制系統(tǒng)等設(shè)備，以及兼作臨時(shí)應(yīng)急電源。蓄電池容量根據(jù)負(fù)荷表進(jìn)行計(jì)算。

該船的DC24V負(fù)荷表見(jiàn)表2：

表2 DC24V負(fù)荷表

蓄電池容量計(jì)算按以下公式進(jìn)行：

Q=P×T/(U×Ki)

式中，Q——所需蓄電池容量(Ah)；

P——負(fù)荷消耗功率；

T——設(shè)備供電時(shí)間；

U——蓄電池電壓(V)取24 V；

Ki——放電系數(shù)。

Q1=775×0.5/(24×0.3)=53.8(Ah)

Q2=50×1/(24×4.2)=5.0(Ah)

Q3=450×4/(24×0.78)=96.2(Ah)

Q=Q1+Q2+Q3+154.9(Ah)

本船選用6-CQA-200 12 V 200 Ah蓄電池，在主甲板設(shè)置4塊，每?jī)蓧K串聯(lián)成24 V 200 Ah蓄電池組，分兩組采用甲充乙放方式，供給DC24V電源設(shè)備。另外在機(jī)艙設(shè)置8塊，每?jī)蓧K串聯(lián)成24 V 200 Ah蓄電池組，供左右主機(jī)和1#、2#發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)用。蓄電池容量滿(mǎn)足計(jì)算要求，設(shè)置滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 線(xiàn)制的選擇

根據(jù)《內(nèi)規(guī)》規(guī)定，供該船選擇的直流線(xiàn)制有雙線(xiàn)絕緣系統(tǒng)、負(fù)極接地的雙線(xiàn)系統(tǒng)以及利用船體負(fù)極回路的單線(xiàn)系統(tǒng)；供該船選擇的交流單相線(xiàn)制有雙線(xiàn)絕緣系統(tǒng)、一線(xiàn)接地的雙線(xiàn)系統(tǒng)以及一線(xiàn)利用船體作回路的單線(xiàn)系統(tǒng)；供該船選擇的交流三相線(xiàn)制有三線(xiàn)絕緣系統(tǒng)、中性點(diǎn)接地的四線(xiàn)系統(tǒng)以及利用船體作回路的三線(xiàn)系統(tǒng)。雙線(xiàn)絕緣系統(tǒng)在直流和交流單相制中是最安全的，三線(xiàn)絕緣系在交流三相線(xiàn)制中是最安全的，可以避免船上人員的觸電事故。該船的直流線(xiàn)制和交流單相220 V線(xiàn)制采用雙線(xiàn)絕緣系統(tǒng)，動(dòng)力設(shè)備380 V采用三相三線(xiàn)絕緣系統(tǒng)；確保用電的安全性。中性點(diǎn)接地四線(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是中性電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)通導(dǎo)，不會(huì)出現(xiàn)中性點(diǎn)偏移，供給用電設(shè)備的電源質(zhì)量好，故該船交流電源400 V采用中性點(diǎn)接地的三相四線(xiàn)系統(tǒng)。這樣設(shè)置保障了船舶供電的連續(xù)性，單相負(fù)荷也不需要變壓器，減少建造成本。

2.2 配電裝置的設(shè)置。

配電裝置是用來(lái)接收和分配電能的電氣裝置，設(shè)置時(shí)除了要能接通和斷開(kāi)電路外，還要在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)有切斷故障元件和發(fā)出報(bào)警信號(hào)等保護(hù)功能，還要有測(cè)量和顯示電壓、電流、頻率、功率等參數(shù)的測(cè)量功能，對(duì)電路狀態(tài)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)指示等功能。該船在機(jī)艙設(shè)交流主配電板1個(gè)，用來(lái)控制和監(jiān)視發(fā)電機(jī)運(yùn)行、供電及船電岸電聯(lián)鎖轉(zhuǎn)換等工作，并對(duì)全船電網(wǎng)進(jìn)行配電，主配電板裝有電壓表、電流表、頻率表、絕緣測(cè)試指示燈等測(cè)量?jī)x表，設(shè)有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、指示燈、按鈕、發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)、負(fù)荷開(kāi)關(guān)等。主甲板上的餐廳前壁設(shè)充放電板1個(gè)，監(jiān)測(cè)和控制蓄電池充放電及DC24V配電，并裝有臨時(shí)應(yīng)急照明裝置，與交流主配電板AC220V照明聯(lián)鎖，在AC220V照明電源失效時(shí)，自動(dòng)接通臨時(shí)應(yīng)急照明。駕駛室設(shè)駕控臺(tái)1座，內(nèi)設(shè)有24 V分電箱、助航分電箱、24 V/220 V航行信號(hào)燈控制板、無(wú)線(xiàn)電通信及助航設(shè)備、主機(jī)操縱、儀表控制板等，進(jìn)行船舶運(yùn)行的各種操縱和監(jiān)控。

3 電網(wǎng)設(shè)計(jì)

船舶電網(wǎng)負(fù)責(zé)輸送發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能到船舶的各個(gè)用電設(shè)備。對(duì)船舶電網(wǎng)的基本要求是生命力強(qiáng)，要求出現(xiàn)故障或局部損壞時(shí)仍能連續(xù)供電，并限制故障的影響在最小范圍內(nèi)。

3.1 確定電網(wǎng)的結(jié)線(xiàn)方式

一般民用船舶的電網(wǎng)結(jié)線(xiàn)方式有放射式、干線(xiàn)式。放射式是從主配電板引出很多根電線(xiàn)，各自作為獨(dú)立的支路，只向一個(gè)用電設(shè)備或分配電箱供電，其優(yōu)點(diǎn)是可以集中控制，一個(gè)支路出現(xiàn)故障被隔斷后不影響其他支路的用電，供電可靠性高，缺點(diǎn)是需要電纜較多，成本高；干線(xiàn)式是從主配電板引出一根或幾根電線(xiàn)作為干線(xiàn)，所有用電設(shè)備通過(guò)串聯(lián)在干線(xiàn)上的方式進(jìn)行供電，其優(yōu)點(diǎn)是需要電纜少、成本低，缺點(diǎn)是無(wú)法集中控制，某個(gè)用電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)可能導(dǎo)致該干線(xiàn)上的全部設(shè)備無(wú)法工作，供電可靠性差。通過(guò)分析，該船的照明采用干線(xiàn)式，其他采用射線(xiàn)式供電。

3.2 電纜的選擇

根據(jù)規(guī)范要求，電纜絕緣材料的最高工作溫度應(yīng)至少比電纜安裝場(chǎng)所可能存在或產(chǎn)生的最高環(huán)境溫度高10 ℃以上；固定敷設(shè)在可能產(chǎn)生有凝結(jié)水或有害氣體等處所的電纜具有不透性護(hù)套；需在失火狀態(tài)下工作的設(shè)備電纜應(yīng)采用耐火電纜；確定電纜導(dǎo)體截面積時(shí)，當(dāng)電纜在正常工作條件下承載電氣設(shè)備所需的最大電流時(shí)，從主配電板的匯流排到任何安裝點(diǎn)的電壓降應(yīng)不大于額定電壓的6%。由蓄電池供電，其電壓≤50 V者，線(xiàn)路的總電壓應(yīng)不大于標(biāo)稱(chēng)電壓的10%，但航行燈、信號(hào)燈及操舵電磁閥線(xiàn)路的電壓降應(yīng)不大于蓄電池標(biāo)稱(chēng)電壓的6%。根據(jù)要求，該船緊急報(bào)警裝置、擴(kuò)音系統(tǒng)、臨時(shí)應(yīng)急照明等需在失火狀態(tài)下工作的設(shè)備用CEF/NA型船用耐火電纜，其余的

采用CEF/SA型船用電纜。電纜的導(dǎo)線(xiàn)截面積根據(jù)計(jì)算選取，交流發(fā)電機(jī)到主配電板用25 mm2的電纜；主配電板到艏錨機(jī)用10 mm2的電纜；到其他各動(dòng)力設(shè)備用4 mm2的電纜；到各照明分電箱用2.5 mm2的電纜。蓄電池到充放電箱用4 mm2的電纜；充放箱到各照明、助航等設(shè)備用2.5 mm2的電纜。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是船舶整體設(shè)計(jì)的一個(gè)不可或缺的部分。其主要進(jìn)行電源、電網(wǎng)、配電裝置的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮發(fā)電機(jī)的選取、蓄電池的配置、線(xiàn)制的選擇、配電裝置的設(shè)置、電網(wǎng)的結(jié)線(xiàn)方式、電纜的選擇等因素，確定電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，然后繪制成設(shè)計(jì)圖紙，制作成設(shè)計(jì)文件，作為送到船檢部門(mén)審核和船廠(chǎng)施工的技術(shù)資料。經(jīng)過(guò)船舶建造和運(yùn)行實(shí)踐，該船的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)、安全、實(shí)用，已被作為西江流域同類(lèi)型船舶的示范進(jìn)行推廣，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。