船舶电力系统概述

高级电工培训课程第一讲船舶电力系统概述船舶电力系统概述本讲主要介绍船舶电力系统的组成，各组成部分的概念和特点，以及例举对应的船舶设备。另外，在本讲中还相应描述船舶电力系统的特点，电气设备正常工作的环境条件。本讲中，还将描述船舶电力系统的主要电气参数：电流、电压、频率，以及各自的特性和条件。2船舶电力系统概述一.船舶电力系统的组成船舶电力系统主要由电源、配电装置、电力网和负载四个部分组成。因为电能的生产、输送、分配和使用是同时进行的。所以这四个部分构成了一个完整的总体、缺一不可。问题：电能的生产、输送、分配、使用分别是由电力系统的哪一个部分完成的？另外，由于叙述的对象不同，船舶电力系统还存在另一种组成方式：即由电站、配电系统和负载三个部分组成。这种组成方式将在后面的章节再做解释。船舶电力系统概述1.电源电源是将其他形式的能量转换成电能的装置。船舶常用的电源有发电机组和蓄电池。船舶电力系统概述柴油机发电机船舶电力系统概述（1）发电机组发电机组是船舶最基本的供电单元，我厂承接的船舶一般使用柴油发电机组。柴油发电机组一般由柴油机和发电机两部分组成。它通过柴油机的运转做功，点燃柴油和压缩空气的混合气体，产生热能，推动曲轴转动，带动发电机的转子，从而产生电能，输出供负载使用。每条船一般使用2~3台发电机组，以及1台应急发电机组。应急发电机组必须可以在正常电力短缺时自动启动，并通过自动转换开关连接到应急负荷。7船舶电力系统概述（2）蓄电池蓄电池，俗称电瓶，又称可充电电池，泛指所有在电量用到一定程度之后可以被再次充电、反复使用的化学能电池的总称。船用蓄电池主要有两种：一种是船舶起动蓄电池，一种是船舶通信系统蓄电池。船舶起动蓄电池适用于船舱柴油发动机组，是船体运动的主要硬件设施，在发电机组起动瞬间能放出强大的电流，触使发动机高速运转从而带动船舶。而船舶通信系统蓄电池主要用于船上应急照明、信号灯、报警系统、UPS计算机备用电源、船上医疗器械、电信设备等，简单点说，就是作为发电机故障下或不作用情况对船舶电力供应的一种后备装置。8船舶电力系统概述92.配电装置主要用于控制、保护、测量、分配船舶电源产生的电力，并对船舶正常航行或应急状况下所使用的电力和照明负载进行配电的开关设备和控制设备的组合装置。船舶配电装置按照用途可以分为：（1）主配电板——对应主发电机。（2）应急配电板——对应应急发电机。（3）区配电板——对应各区域的配电。（4）充放电板——对应船舶蓄电池的充电、放电。（5）岸电箱——对应使用岸电时的配电。船舶电力系统概述3.船舶电力网船舶电力网是全船电缆、电线的总称，其作用是将电能的产生者（各种电源）和电能的消费者（各类电能用户，即负载）联系起来。船舶电力网根据其所连接的负载性质，可分为动力电网、照明电网、应急电网、小应急电网（24V直流）、弱点电网等。船舶电力系统概述4.负载负载是指连接在电路中的电源两端的电子元件。船舶负载根据用途可以分为以下几类：（1）各种船舶机械的电力拖动：如甲板机械（舵机、锚机、绞缆机、起货机、舷梯绞车等）；舱室辅机（各种油泵、水泵、空压机、冷冻机、辅助风机和空调等）；电推及工程船舶的生产机械。船舶电力系统概述（2）电气照明工作场所和生活舱室的各种照明灯具和信号灯具等。（3）船舶通信和电航仪器通讯设备有无线电收发报机、卫星通讯、无线电话、电话、广播、声光报警装置、子母钟、舵角指示仪器。电航仪器有雷达、卫星导航仪、定位仪、电罗经、测深仪、计程仪等。（4）其他用电设备：如电炊具、电热器、电风扇、音像设备等附带生活设备。船舶电力系统概述电站和配电系统的概念。关于船舶电力系统的另外一种组成方法认为，电力系统由电站（供电系统）和配电系统及负载组成。电站是指发电机组至主配电板发电机控制屏，与前一种分法所不同的是，电站中包含了主配电板的发电机控制屏，认为发电过程，到主配电板的发电机控制屏才算作结束。配电系统则是指主配电板的配电（负载）屏到负载的电源线为止，这一阶段属于配电过程。和前一种组成法略有不同，这种分法，相当于将配电板从发电机（负载）配电屏切开，一分为二。船舶电力系统概述并车屏负载屏发电机控制屏二.船舶电力系统的特点1.船舶电力系统的特点（1）与陆上电力系统相比：①电源多为独立、单一电站；陆上电站种类更多，经常有多级电站变电。②电站容量较小（总容量小于3000kW，单机小于1000kW），线路阻抗低，短路电流大；陆上电站容量大（大型水电站可以达到10万至100万kW）③电力网输电距离很短，一般不超过200米；陆上可达300公里。且船舶输电容量小，由于空间问题也无法采用架空线输电，输电电压一般小于500V；而陆上输电电压可达500kV。④船舶配电装置一般比较简单、可靠，只采用低压电器开关及控制保护装置，除照明配置容量较小的降压变压器外，没有其他复杂的变压装置。船舶电力系统概述（2）船舶上大的用电负载（如空压机、消防泵等），功率很大，这些负载起动时引起的电网电压降较大，因而对船舶电力系统的稳定性提出了较高要求，比如要求船用发电机的调压器动态性要好，有强励磁能力，发电机有较大的承受过载能力等。另外，由于船舶工况变动频繁，要求发电机并车装置简单、可靠。（3）为了提高安全性，客船和中大型货船一般会配置独立的应急电源，我厂承建的船舶一般使用应急发电机组和应急配电系统。它可以在主电站发生故障时，保证船舶安全航行所必须设备的用电。船舶电力系统概述（4）军舰为提高战斗力和生命力，一般设置主副两个电站分区进行供电，主要设备都有主副两路实行二路供电。（5）船舶舱室一般空间较小，供配电系统周围的舱壁、管路材料都是导电体，因此绝缘要求更高。（6）电气设备之间有较大的电磁干扰，因此设备抗干扰的要求更高。船舶电力系统概述电站和配电系统的概念。关于船舶电力系统的另外一种组成方法认为，电力系统由电站（供电系统）和配电系统及负载组成。电站是指发电机组至主配电板发电机控制屏，与前一种分法所不同的是，电站中包含了主配电板的发电机控制屏，认为发电过程，到主配电板的发电机控制屏才算作结束。配电系统则是指主配电板的配电屏到负载的电源线为止，这一阶段属于配电过程。和前一种组成法略有不同，这种分法，相当于将配电板从发电机配电屏切开，一分为二。船舶电力系统概述适应环境温度介质温度空气温度（℃）海水温度（℃）电气设备安装处所封闭处所内高于45℃，低于0℃处所露天甲板热交换器入口无限航区0～45按该处所温度-25～4532除热带海域的有限航区0～40按该处所温度-25～4025电子设备的环境空气温度的上限为55℃船舶电力系统概述2.船舶电气设备的环境条件（1）温度：适应倾斜和摇摆的要求设备组件横倾横摇纵倾纵摇应急设备，开关设备，电器及电子设备22.5°22.5°10°10°上列以外的设备组件15°22.5°5°7.5°适应电压频率变化设备参数稳态（%）瞬态（%）恢复时间（s）一般设备电压-6～+10±201.5频率±5±205由蓄电池或半导体变流器供电电压±20船舶电力系统概述（2）倾斜和摇摆要求：（3）电压频率变化：（4）其他条件因素小提示：设备为什么必须加支架，螺丝为什么必须加弹垫。船舶电力系统概述船舶电气设备必须适应：①.振动和冲击；②.倾斜和摇摆；③.环境温度；④.潮湿、盐雾、油雾、霉菌侵蚀；⑤.电网电压和频率变化；⑥.防护要求。IP防护：是对固体和液体入侵防护①.只存在与带电体接触危险环境IP20；②.存在滴水和机械伤害的舱室环境IP22；③.水和机械伤害危险较大的机器处所IP34；④.水和机械伤害危险较大的舱室处所IP44，附具（附属器具）IP55；⑤.喷水、粉尘、严重机械伤害危险为IP55和IP56；⑥.大量水浸入危险的露天甲板为IP56；⑦.爆炸危险除防爆功能外，还应满足相应处所的防护等级。船舶电力系统概述电气设备外壳的IP××防护等级表IP等级简要说明定义第1位数字0无防护没有专门防护1防＞50mm的固体人体大面积部分如手(对有意识接触无防护),直径＞50mm的固体2防＞12mm的固体手指或类似物,长度不超过80mm,直径超过12mm的固体3防＞2.5mm的固体直径或厚度大于2.5mm的工具、电线等,直径＞2.5mm的固体4防＞1.0mm的固体直径大于1mm的线或片状物,直径超过1mm的固体5防尘并不防止全部灰尘进入,但进入量不妨碍设备正常运转6尘密无灰尘进入第2位数字0无防护没有专门防护1防滴垂直滴水应无有害影响215°防滴设备与垂直线成15°角时,滴水应无有害影响3防淋水与垂直线成60°角范围的淋水应无有害影响4防溅任何方向溅水应无有害影响5防冲水任何方向冲水应无有害影响6防猛烈海浪猛烈海浪或强烈冲水时进入机壳水量应无有害影响7防浸水沉浸在规定压力的水中经规定时间后,进入水量应无有害影响8防潜水能长期潜水,完全密封,进水量不产生有害影响电流有直流和交流两种。早期船舶多采用直流电力系统。我国舰船在60-70年代完成了向交流电制过渡，目前主要使用交流电制。然而舰船电力系统的电流种类，仍然会受到舰船能源类型或某种条件的限制，例如，采用蓄电池组为能源的常规潜艇，就很难推行交流电制；有较高调速要求的电力推进电力系统也往往采用直流电制。船舶电力系统概述三.船舶电力系统的电气参数1.电流种类交流电站与直流电站相比，前者设备成本和维护保养方面的费用及工作量比后者少得多；因为交流电动机没有整流子，结构简单、体积小、重量轻、运行可靠。鼠笼式电动机可以直接起动，控制设备少。此外，交流动力网络与照明网络之间可通过变压器实现电气隔离。使绝缘电阻低的照明电网基本上不影响动力电网。交流电制也有利于船舶电气化程度的提高和系统容量的增长。直流电站的优点是调压并车简单，电动机起动时冲击小。可实现大范圈平滑调速(这对电动起货机尤为有利)，蓄电池组充电无须整流器等。然而，由于电力电子技术的发展，直流电制的优点越来越不明显，交流电制在国内外各种船舶中占了主要地位。船舶电力系统概述2.电压确定电力系统及其负载的电压等级，是电力系统设计的一项重要内容。从减少导体电流的角度来看。提高电压是有利的，可以减小电器元件的导电截面，节约有色金属。如以电器在电压为127V时的重量为1，则当电压为220V、380V和500V时，电器的重量分别近似地等于0.58、0.33和0.25。另一方面，电压的提高增加了电器灭弧的困难，为此对电气设备的绝缘和安全方面提出了更高的要求，需要加大灭弧间隙，这样又使电器的重量、尺寸增大，故在电压高于600V时，其重量、尺寸减小很少。船舶电力系统概述目前世界各国对电压等级的考虑，主要与本国陆上电制的参数能统一。我国发电设备具有230V(单相)、400V(三相)的额定电压。欧盟从1992年起规定低压发电设备的额定电压只允许使用230V/400V。由于船舶容量的增加，提高电压是必然趋势。在一些大型船舶、工锉船舶及舰船上，电站容量已达20000-40000kW以上，单机功率达3000-5000kW,这时仍采用400V电压等级已成为不可能。因为当三相400V和CosΦ=0.8，发电机额定相电流为5700A时，就需要截面为3X240mm2的电缆18根并联运行，这是不合理的。此外，这样大的电流使开关保护电器复杂化。综上所述船舶电站额定电压有向中压发展的趋势。国际电工委员会建议采用3.3kV电压；英美等国因为陆上有3.3，6.6kV电压等级，所以这些国家在巨型船舶上采用3.3，6.6kV；德国允许最高工作电源电压为11000V。这是充分估计了船舶电压发展趋势的最高电压。我国电力推进系统最高允许电压规定直流为1000V，交流为6300V。英国“伊丽莎白皇后二世”号客轮(3台5500kW主发电机)和我国500t浮吊船上已采用了3.3kV电压。我厂目前建造的7WT半潜船就使用了2200V的中压发电机，并且即将承建的RedBox极地重载运输船和中海3.01万吨也将使用中压。船舶电力系统概述3.频率船舶交流电力系统现行额定频率有工频和中频两种。工频是船舶动力电气设备使用的频率，按各国传统习惯，有5