劉 東，許 濤，戚雙斌

(1.91404部隊91分隊，河北 秦皇島 066001； 2.上海船舶運輸科學研究所，上海 200135)

0 引 言

艦船電力系統在保障艦船正常運行方面起著非常重要的作用，目前對其研究主要集中在電力系統設計和電力系統性能評估2方面。電力系統設計主要采用“自頂向下”的樹狀生命力分解定義結構、生命力評估指標體系和指標設計定量要求與概率要求[1]等生命力設計，以及低阻抗故障和電力電子設備保護方案設計[2]等保護性能設計;電力系統性能評估主要采用供電生命力的概率分析法、貝葉斯網絡法[3]、神經網絡與貝葉斯網絡結合算法[4]和損傷樹分析方法[5]等評估方法。

隨著艦船裝備技術的不斷發(fā)展，電力系統的功能和性能要求越來越高。若要判斷已交付船舶的電力系統的功能和性能指標是否符合巡航、戰(zhàn)備、訓練和作戰(zhàn)等方面的要求，需進行實船性能評估，而目前有關新型艦船電力系統實船測試的研究較少。對此，本文結合某新型艦船的功能和性能評估工作，對艦船電力系統的功能和性能測試指標及測試方法進行研究，形成一套完整的測試方案。

1 艦船供電能力實船測試指標

艦船電力系統的功能與動力系統、輔助系統和作戰(zhàn)系統等系統的功能相互交叉，為艦船穩(wěn)定運行提供重要的保障。本文以某型艦船的設計定型任務為依托，從艦船電力系統性能和系統組成的角度對該船的供電能力測試指標和測試方法進行分析。

1.1 艦船電力系統性能指標

從整個電力系統的角度對實船電力系統的性能進行測試分析，測試指標見圖1。

圖1 艦船電力系統性能測試指標

1.1.1 基本線制與電制

此項為系統靜態(tài)設計指標，在設計和建造階段從系統的線制與電制和設備用電需求等方面對系統進行檢查測試，基本線制與電制指標見表1。

表1 基本線制與電制指標

1.1.2 電源品質

電源品質即電能質量。隨著負載的種類日益增多(沖擊性負載大量使用引起的獨立電網短時電壓波動；導航等設備的非線性負載引起的電網電壓波形發(fā)生畸變，產生嚴重的諧波；大功率負載劇烈、頻繁地變動引起的電網產生動態(tài)沖擊等[6])，電源品質要求越來越嚴格。本文從發(fā)電、配電和用電設備不同部位，以及交流電源和直流電源2個角度對電源品質考核指標進行分析。

1.1.2.1 交流電源品質指標

用電設備標稱交流電壓(有效值)為380 V或220 V，尖峰電壓(峰值)為2 500 V，標稱頻率為50 Hz。交流電源品質電壓部分指標、波形部分指標和頻率部分指標分別見表2、表3和表4。

表2 交流電源品質電壓部分指標

表3 交流電源品質波形部分指標

表4 交流電源品質頻率部分指標

有限間斷電源的供電范圍應根據艦船的使命、電站的設置和配置、重要用電設備的數量、容量和排序及供電轉換的延時許可等來合理確定。重要負載通過手動轉換開關實現2路或多路供電。供電連續(xù)性指標共1項，為“典型的斷電時間(0.5～20.0 s)”。

1.1.2.2 直流電源品質指標

用電設備標稱直流電壓為220 V、110 V或24 V等。直流電源品質直流部分指標見表5。

表5 直流電源品質直流部分指標

1.1.2.3 設備電能質量要求

設備電能質量部分指標見表6。

表6 設備電能質量部分指標

1.1.3 電站系統的容量

系統容量是設計指標，由電站數、機組數和匯流排電纜的容量共同決定。單電站單機組運行正常，各設備容量達標，即可計算系統容量。

1.1.4 生命力

電力系統生命力概念比較模糊，實船測試的項目指標的要求比較具體，本文從艦船設計原則和組成的角度進行分析[7]。表7為供電生命力測試指標。

1.1.5 機組組合運行能力(系統運行)

根據艦船的電站和機組設計，考核不同機組。組合的運行能力(包括單機組運行、雙機組運行和多機組運行)?？己瞬煌β室驍?0.6、0.8和0.9)、不同負載(20%額定值、50%額定值、75%額定值和100%額定值)機組的運行情況(輸出功率、電壓、電流、頻率和功率因數、滑油油壓、滑油溫度和排氣溫度等參數)。

表7 供電生命力測試指標

1.1.6 系統安全與保護

系統保護設計的基本要求是保護裝置必須滿足完全性、快速性、選擇性、靈敏性和可靠性要求[7]。在列項時將保護概念延伸，除了考查各級斷路器的通斷設定和保護分級設計以外，還要考查系統運行過程中的故障顯示報警保護功能和故障自處理能力[8]。系統安全與保護指標見表8。

表8 系統安全與保護指標

1.1.7 不同工況的供電考核

艦船運行工況包括靠岸工況、錨泊工況、備戰(zhàn)備航工況和戰(zhàn)斗工況。試驗中對各運行供電方式進行實船考核，查看記錄系統和各設備的供電運行情況。

1.2 從電力系統組成的角度補充列項

艦船電力系統包括一次系統和二次系統,主要由電源設備、配電系統和負載組成。新型大型艦船電力系統組成的功能分類見圖2。

圖2 新型大型艦船電力系統組成的功能分類

1.2.1 發(fā)電功能系統

該系統主要對供電系統的發(fā)電和出電功能進行考核。考核不同發(fā)電組合下系統的運行情況，記錄機組供電品質相關指標(見表9)。

表9 機組供電品質相關指標

1.2.2 配電功能系統

該系統將電能送至各用電設備，主要包括主配電設備和事故配電設備，其簡易邏輯圖分別見圖3和圖4。該系統主要考核設計的合理性，對各設備的配置和功能(在各工況下)進行考核。

圖3 主配電設備簡易邏輯圖

圖4 事故配電設備簡易邏輯圖

事故電網重點在各工況下對整個系統進行功能測試。列1項檢查(結合表7中第15項事故電網供電檢查)。

1.2.3 消磁功能系統

引用相關部門的專項試驗，不單獨評估。

1.2.4 電力監(jiān)控功能系統

監(jiān)控功能是電力系統運行的神經，在設備功能檢查和系統性能檢查中同時進行。檢查列項見表10。

表10 電力監(jiān)控功能系統

1.2.5 電力輔助功能系統

新型艦船實現全船應急電網組網運行，由蓄電池組、大容量重放電裝置、直流應急配電板、UPS、DC/DC變換電源、應急電力設備絕緣監(jiān)測裝置、直流應急電網監(jiān)測裝置和直流應急分配電箱等組成。在系統運行過程中，對各設備進行設計指標測試和功能測試。

2 艦船電力系統性能測試方法

從全系統、全流程和全要素的角度對新型艦船進行評估,評估流程見圖5。

圖5 性能評估試驗測試流程

2.1 測試方案設計

測試方案應具有完整性、嚴謹性和可行性，既要考慮測試方法，又要考慮測試環(huán)境，環(huán)境要求貼近實際情況。

以表7中的“戰(zhàn)斗工況供電品質檢查”檢查為例，測試方案設計如下：

1) 試驗的目的是考核作戰(zhàn)環(huán)境中電力系統向各供電設備供電的電源品質。

2) 試驗環(huán)境和條件包括艦船的工作環(huán)境、被試品的工作狀態(tài)要求和測試設備。

(1) 環(huán)境要求為試驗艦船的戰(zhàn)斗工況；

(2) 被試品工作狀態(tài)為電力系統正常工作，配備的儀器儀表已經過校準；

不同類型的規(guī)劃服務于不同社會問題和規(guī)劃問題，表現在規(guī)劃目標、任務內容和功能均不同，即規(guī)劃目標指標、影響因素不同。對其進行了梳理，匯總于表1，為在開展不同規(guī)劃水資源論證時，有效建立規(guī)劃與水資源論證內容的關系提供參考。

(3) 測試設備包括電能品質測量設備、電壓表、電流表和頻率表等。

3) 試驗方法為根據戰(zhàn)斗工況對開機設備的要求進行開機，對大功率雷達設備加高壓，部分用電設備不能達到最大負載或波動負載時用模擬負載代替(盡可能少用)。選擇適當的測試點，接入測試儀。在電力集控臺或設備工作參數顯示屏上記錄各參數，在重要負載輸入端接入電能品質測試儀，記錄相關電能品質參數和設備故障情況。

4) 數據處理。根據GJB 4000—2000電源品質要求對數據進行處理。

5) 評定準則為各測試結果滿足相關要求(軍用標準、研制要求或規(guī)格書等)為合格。

2.2 測試方案實施

從測試過程的角度將指標分為勘驗型、功能型和測值型等3類[9]。

1) 勘驗型：設計標準類指標，需對照設計圖樣，對實船建造進行勘驗,如表1中的“基本線制與電制指標”和表7中的“相互依賴非冗余設備布置緊湊性檢查”。

2) 功能型：功能具備類指標。按設備操作流程接通相關設備，接入負載，記錄其供電和故障情況,如表7中的“事故電網供電檢查”。

3) 測值型：具體數值指標。需進行測試選點，接入測試儀表進行測試記錄，對數據進行處理得出測試結論,如表2中的“線電壓不平衡允差”，其實施過程如下。

(1) 將測試回路所在負載開關分閘；

(2) 在負載開關輸出端連接測試線路；

(3) 開關合閘恢復供電；

(4) 使用電能質量分析儀測量三相電壓，讀取穩(wěn)態(tài)電壓和穩(wěn)態(tài)頻率、電壓波形最大單次諧波和正弦畸變率，計算三相電壓平均值和三相電壓不平衡度，同時記錄對應設備工作的穩(wěn)定性(記錄故障發(fā)生情況)。

3 艦船電力系統性能測試結果處理

艦船電力系統性能測試指標主要分為勘驗型、功能型和測值型等3種，不同類型測試的結果處理方式不盡相同。對于勘驗型和功能型測試，其指標記錄結果即為結論，無需進行數據處理；對于測值型測試，要對數據進行完整記錄，并對記錄的數據進行比較和計算，評估測試結果是否滿足測試指標要求。

以電源品質測量項目中的部分項目為例，數據記錄和處理過程見圖6和表11。

圖6 某大功率雷達輸入端BC相啟動電壓波峰

表11 主配電板輸出端電源品質參數記錄和處理

試驗結果表明，該電力系統供電能力各技術指標的測試結果均在要求的范圍內，滿足相關要求(軍用標準、研制要求或規(guī)格書等)，試驗結果合格。

4 結 語

本文從實船的角度對電力系統供電能力進行分析，對測試方法進行研究，并針對某型艦船進行性能評估試驗，主要得到以下結論：

1) 實船試驗應以全系統、全流程和全要素等概念為指引，從性能的角度和系統組成的角度對實船測試指標進行分類;

2) 電源品質、生命力和系統保護是整個電力系統功能測試中的重要指標，要在各工況中重復測試，測試過程要相互結合;

3) 研究所得測試方案對后續(xù)艦船的實船測試有一定的參考價值。