船舶电力系统短路故障及其稳定性提升策略

武警海警总队第五支队 杭太贵

船舶电力系统一旦发生短路故障，会直接影响到船舶航行的稳定性。因此，稳定的船舶电力系统是确保船舶稳定航行的重要前提条件之一。本文围绕船舶电力系统展开相应的研究，归纳可能出现的短路故障情况，并提出一些提升电力系统稳定性的策略。

进入21世纪以来，船舶电力自动化水平得到了快速提升，船舶电气设备对稳定供电的要求越来越高，船舶电力系统的稳定性已经成为保护船舶安全航行的重要助力。因此，针对船舶电力系统稳定性进行相应的研究意义重大。在影响船舶电气系统稳定性的众多因素中，短路故障不仅经常出现，而且每次出现都会造成不小的影响，如何解决短路问题已经成为船舶电力系统稳定性研究中的主要关注点。

1 船舶电力系统稳定性

1.1 船舶电力系统界定

船舶电力系统由船舶供电及船舶用电两个部分所组成，前者的作用是发电、配电，后者则是船舶上所有需要用电的设备总称。船舶电力系统就是船舶的血管与血液，保证整个船舶的正常运行。随着船舶工业的迅猛发展，船舶电力系统也体现出自动化、大型化的特点，不但能保障船舶的正常航行，还能减轻船员的工作负荷，提高他们的工作、生活条件。保证船舶电力系统的稳定是船舶建造与航行的基础工作及重要工作之一。船舶电力系统的特点主要体现在这样几个方面：

特点一：船舶电力系统的容量普遍偏小。船舶发电机单机容量通常都在一千千瓦以下，总容量也不过几十万到一百万千瓦，而且船舶电网都是独立运作的，船舶与船舶之间无法形成联网运行。这与陆上发电机组单机容易就达十几万千瓦，总容量动辄超千万千瓦，各电厂之间大多实现了联网运行进而构造了一个庞大的系统有着天壤之别。一旦船舶中的大型负载突加突卸时，船舶电网都会受到巨大的冲击；如果电力系统发生短路或操作失误时，不但会影响发电机组停止工作，还有可能造成全船停电，威胁到整条船舶上人与物的安全。所以，在设计船舶电力系统时，对电力系统的稳定性有着特别高的要求。

特点二：船舶电力系统的输电网络相对较短。船舶的面积是相当有限的，这就使得船舶整体的输电距离不会太长，也不需要特别大的输电容量，所以船舶上通常不会配备高压输电，以减少电能损耗。与此同时，船舶电力系统的发电机组及所有用电设备的电压都较低，很少配备变压器。而且，因为船舶整体空间紧凑，用电设备大多集中在一起，输电线路基本都控制在两百米以内，这使得船舶电力系统的保护装置很少，所以要求整个电力系统具有更好的协调配合度。

特点三：船舶电力系统的整体寿命较短。江河湖海是船舶的工作环境，不稳定、恶劣的自然环境对电力系统的损耗极大。长期与水、湿气接触，电力系统的绝缘性能会受到影响、金属部件容易腐蚀，波浪等众多因素的冲击、振动也容易造成电力系统接触不良，这对船舶电力系统的设计提出了更高的要求。

1.2 船舶电力系统的稳定性

当船舶电力系统受到内外部因素的扰动后仍然能够保持正常工作的能力就是船舶电力系统的稳定性强度，船舶电力系统的稳定性是保证船舶正常安全航行的必要前提。

船舶电力系统稳定性包括两个方面的内容：静态稳定和暂态稳定。前者指的是受到小干扰的电力系统能否保持稳定性，能保持稳定就说明系统具有静态的稳定；后者指的是受到某一特定大干扰后的电力系统能否保持稳定性，能保持稳定就说明系统具有暂态的稳定。突加突卸负载、电力系统的意外短路、大型用电设备工作等都属于特定大干扰。

因为船舶电力系统的稳定性更多的是体现在船舶航行过程中大干扰，因此针对船舶电力系统稳定性的研究主要是针对暂态稳定进行的。

2 船舶电力系统短路故障的影响

2.1 船舶电力系统短路的危害

船舶电力系统由正常电力系统和应急电力系统两部分组成，后者是前者正常工作的一个补充与保障。由于船舶电力系统总容量小、输电网络短、外部影响多等特点，使得一个小小的元件故障都有可能会影响到整条船舶电力系统的稳定性，并给船舶的安全运行带来安全问题。

船舶电力系统发生短路故障时，会出现短时的大冲击电流，电流冲击时间虽然不长但却会给整个电力系统带来巨大的冲击与损害，如果保护装置动作不快还会带来一系列的后续损害和问题。而且，稳态短路电流如果过大也会损坏船舶用电设备。短路故障特别严重时，甚至会造成船舶的电力系统全部瘫痪，供电完全中断，如果在恶劣天气航行过程遇到这种情况，有可能会造成船毁人亡的重特大事故。

因此，构建高稳定性的船舶电力系统，对短路电流实现有效、及时的限制，尽可能减少短路故障对于船舶的安全航行意义重大。

2.2 船舶电力系统短路故障的原因

正如前文所述，船舶电力系统的静态稳定性对整个船舶电力系统的稳定性影响不大，因为它能够在干扰后迅速回归正常电力状态，在研究分析船舶电力系统短路故障原因时，主要是针对暂态稳定性进行的。具体来看，船舶电力系统暂态稳定性影响因素主要有如下几点：其一，船舶电力系统自身出现的短路故障；其二，突加、突卸大负载极易引发船舶电力系统的波动。

3 提高船舶电力系统稳定性的对策

3.1 及时有效地切除故障源

提高船舶电力系统稳定性最关键的措施在于及时有效地切除故障源。只要能够及时地发现并切除故障源，就能够防止因为故障原因造成发电子转子的转矩变化，发电机转子角速度不会变化也就不会改变电网频率。

与此同时，及时有效地切除故障源能够保证电力系统发电机稳定的端电压，从而提高所带负载的稳定性，保证发电机输出功率的最大化。实际上，当前船舶电力系统大多引进了自动空气断路器，能够做到及时有效地切除故障源。

3.2 实现发电机强行励磁

所谓的发电机强行励磁指的因船舶电力系统故障而引发的发电机端电压下降时，励磁系统会在端电压低于额定电压时主动进行励磁调节，通过增加励磁的方式提高发电机电磁输出功率，并实现船舶电力系统的稳定性的提高。

实际上，只要电力系统发生了故障，发电机励磁系统就会开始励磁调节，实现励磁电压的最大化，从而对电力系统的暂态稳定发挥巨大的作用，使整个船舶的电力系统保持在暂态稳定的极限值，让那些正常的负载能够获得稳定的电流并正常工作，不至于因故障的发生而导致整个电力系统崩溃。因此，发电机励磁系统对于维持船舶电力系统稳定性的作用是十分明显的，因为较高的励磁电压能够有效地增大发电机转子励磁电流。

与此同时，励磁系统的作用还能在这样几个方面得到体现：首先，能够控制发电机转子的最大电流值，将其限制在一定的范畴之内；其次，能够控制发电机转子和定子，限制其过载时的效电流值；最后，在能够实现强行励磁功能的同时，还能够强行减磁。总而言之，发电机励磁自动调节装置对于船舶电力系统稳定性的提高具有重要作用。

3.3 分级卸载负载

船舶电力系统的电网负载与陆地上的无限电网不同，是有额定负载的。一旦电网额定负载被超过，就要分级自动卸载那些次要负载，以保证发电机不因持续过载而造成短路，这能够极有效地提高船舶电力系统的暂存稳定性。发电机输出电流的过载信号是船舶电力系统自动分级卸载的关键信号，只要电网中运行设备的负载超过额定负载时，就要按级别一次或多次把次要负载分级卸载，强行将其退出电网，以保证那些重要负载始终能够得到持续稳定的供电。

3.4 分级启动负载

船舶电力系统发生故障停止工作后，一旦修复恢复供电时，如果所有用电同时启动就会带来巨大的启动电流，这对船舶电力系统而言又是一次冲击和考验。为了减少因过大启动电流对整个电力系统的影响，就必须采取分级启动负载的方式，按用电设备的重要性来确定启动的顺序及启动的间隔时间。通常情况下，用电设备启动的间隔时间大多控制在3～6s。

3.5 运用数学物理建模方法

随着各种自动化数字技术的发展与运用，船舶设计与驾驶中也引进了机械、电气及航海雷达等技术，这就对船舶电力系统稳定性要求更高了，要求电力工程师在设计电力模块时，既要考虑到电力系统的常态稳定性，还要考虑到新进模块动态的特殊要求。数学物理建模方式的引入，可以实际模拟船舶电力系统可能遇到的问题，并建模找到科学可行的最佳解决方案，使因电流不稳定等因素引发的船舶电力系统短路故障及时得到解决，将可能的损失降到最小。

船舶电力系统稳定性提高的数学物理建模主要围绕发电机展开。船舶发电机主要包括电力发生装置和电磁转换系统两部分，现有的发电机的设计原理基本都是法拉第电磁发生原理，必须要注意的就是减少磁化现象的出现，从而不干扰罗盘及航海雷达等设备。

同时，提高船舶电力系统的稳定性关键是保护电路的稳定电阻，在设计稳定电阻时必须遵循的几个规程和原则是：其一，合理均衡的设计负载，通过串联、并联方法的合理运用，保证电阻负载的合理性，对于提高船舶电力系统的静态稳定性效果明显；其二，设计发电机应急机制。要运用数学物理建模的方式，提前模拟船舶电力系统可能的故障情况，并提前设置应急机制加以预防。

结论：目前，国内外运输大型设备和人员的客货两用水上运输工具就是船舶，在海洋经济发展速度不断加快的今天，船舶运输发挥了越来越大的作用。船舶在海洋中航行时安全是最重要的，为了能够提高海洋船舶航行的安全性与稳定性，就必须加强船舶电力系统稳定性的设计，尽量减少船舶电力系统短路故障，使船舶的每一次海洋航行都是安全、稳定、可靠的。