某综合试验船电力系统设计

龙可军，李兴宇

（1.海装驻广州地区第三军事代表室，广州，510250；2.广州船舶及海洋工程设计研究院，广州510250）

1 前言

该船是一艘远海航区综合试验船，主要用途是满足建设单位试验基地科研生产需求，在试验海域进行各类电子设备的试验、测试及验证等，同时兼顾试验设备、人员的交通运输功能，为我国电子科学的发展、海洋科学事业和国防建设收集资料。该船的设计满足中国船级社（CCS）《国内航行海船入级规则》2012、《国内航行海船建造规范》2012 及其修改通报、中国海事局（MSA）《船舶与海上设施法定检验规则—国内航行海船法定检验技术规则》（2011）及其修改通报有关要求。

2 船舶主要参数

3 电站设计

该船电站设计除满足规范、规则对于船舶正常航行的配置要求外，还应满足船上配备的各类电子设备及辅助系统的海上试验需求。

3.1 各种工况负荷计算

主发电机组首先要满足为全船航行安全设备提供充足的电能，同时为机舱辅助设备、生活设备等提供电源，还要为试验设备提供电源。因此，如何确定电站主发电机的单台额定容量及配置数量，主要从各工况用电总负荷情况进行分析：

（1）航行工况

按照规范的要求，主电源要满足为正常推进运行、船舶安全所必需的设备供电，也要满足最低舒适居住条件的设备供电（工况Ⅰ）。通过电力负荷计算，航行工况Ⅰ总负荷约为179 kW；工况Ⅱ为含试验设备，总负荷约为230.1 kW。

（2）试验状态工况

该船搭载了较多的电子设备，不同电子设备的用电需求差别较大；同时，为了满足设备测试要求，还安装了液压起重机、A 形架吊机等大功率辅助试验设备。通过电力负荷计算，使用10 t液压起重机、A形架吊机时（工况Ⅰ）总负荷约为386.4 kW；不使用10 t 液压起重机、A 形架吊机时（工况Ⅱ）总负荷约为330.5 kW。

（3）进出港工况

进出港工况下需要使用锚机、吊机等设备，在离靠码头时需要使用首侧推。通过电力负荷计算，进出港工况总负荷约为327.5 kW。

（4）停泊工况设备

停泊状态下，主要为生活用电、空调设备用电、油污水排放设备及维修设备等供电，经计算，总负荷约为91.1kW 。

各种工况用电负荷，见表1 所列。

表1 各种工况用电负荷表

3.2 主电站设计

（1）航行工况Ⅰ是船舶的主要使用工况，根据计算，航行工况Ⅰ用电负荷为179 kW。从设备使用及经济性考虑，使用单台主发电机容量为200 kW，此时发电机负荷率为89.5%，备用发电机为2 台；航行工况Ⅱ为含试验设备。根据计算，航行工况Ⅱ用电负荷为230.1 kW，使用2 台发电机容量为2X200 kW，发电机负荷率为57.5%；备用发电机为1 台；

（2）试验工况Ⅱ用电负荷为330.5 kW；使用2 台200 kW 发电机组并车可满足用电需求，但无法满足试验工况Ⅰ的长期用电需求，因此，需要增加1 台同型200 kW 发电机组，即选用3 台200 kW 发电机组，其设备维修互换性较好，且各发电机的使用时间更均衡，不会因为过度使用1 台发电机组而提前进行大修；

（3）进出港工况使用首侧推时，选用任意2 台200 kW 发电机均可满足用电需求，设置3 台200 kW发电机组，留有备用发电机组，可靠性更高。

综合以上分析，本船配置3 台船用三相交流同步发电机组，每台发电机组额定功率200 kW，供全船动力系统、照明系统、通信导航、报警、控制设备及电子试验设备等用电；3 台柴油主发电机能单独运行，互为备用，也可以任意2台或3台发电机组长期并联运行。

3.3 应急电站设计

应急电站主要满足应急状态下的负荷用电需求，主要用于维持船舶安全或遇险救生等用途，包括应急照明、无线电通信及导航设备、应急消防泵、内部通信设备、报警设备及应急发电机室分机等。

通过负荷计算，为满足应急状态下设备用电需求，本船选用75 kW 三相交流同步应急发电机组1 台， 安装在应急发电机室。

4 配电系统设计

本船配电系统，主要由主配电板、应急配电板及分电箱等组成。

4.1 主配电板

（1）结构

本船设主配电板一台，钢质落地式，布置在机舱集控室，控制和保护3 台主发电机并对全船AC380V/AC220 V 设备供电；主配电板由7 屏组成，包括3 屏发电机控制屏、1 屏发电机同步屏、1 屏负载控制屏、2 屏电机集中控制屏。

发电机屏上部设置各类仪表，下部设置发电机主开关；同步屏设置有同步表、岸电仪表等；负载屏主要设置各类负载断路器；集中控制屏主要布置各类泵起动控制设备。

（2）功能

① 主开关设计：主配电板发电机主开关采用施耐德公司MT06 型自动空气断路器，脱扣器额定电流600 A，具有过载长延时、短路短延时和瞬动三段保护及欠压脱扣保护等功能，采用逆功率继电器作逆功率保护。

② 连锁设计：主配电板发电机主开关与岸电开关联锁，使发电机组与岸电电源不能同时供电；空气断路器与主发电机防潮加热器有联锁，防潮加热器开起情况下不能起动发电机组；主变压器之间设联锁，避免变压器同时接入电网；主配电板与应急配电板通过联络开关联锁，正常时应急配电板的负载通过联络开关由主配电板供电。

③ 卸载设计：主配电板具有自动卸载功能。当发电机的负载电流达到额定值的90%时，主配电板发出过载预报警，延时10 s后进行一级卸载，卸除厨房设备；如负载电流达到95%额定电流，经延时后进行第二级卸载，卸除空调设备。

④ 自动电站管理系统：主配电板设有进口的自动电站管理系统，对发电机组进行管理，能够自动平衡并联发电机的负载；运行发电机重载时增加在线发电机，轻载时减少在线发电机；在线运行发电机发生故障无法继续工作时，管理系统发出指令，备用发电机自动起动，故障发电机自动退出。

⑤ 并车设计：设有手动、半自动及自动三种并车工作模式。手动模式下，所有发电机均可转为手动操作模式；半自动模式下，可手动、半自动并车，自动平衡并联发电机的负载；自动模式下，由自动电站管理系统管理电站运行。

⑥ 重载问询功能：由于本船设有首侧推等大功率负载，为避免电站容量不够无法起动大功率负载，或为降低起动大功率负载时对电网的冲击导致影响其他设备正常使用，在起动大功率负载前必须向电网作询问，如在网的柴油发电机总容量偏小，应自动起动备用主发电机组向电网供电。

⑦ 重要负载顺序重新自起动：主电网恢复供电后，下列重要负载按系统预定的程序重新自动起动：舵机、机舱风机、主机滑油备用泵、齿轮箱滑油备用泵、主机淡水备用泵、主机海水备用泵。

（3）汇流排

① 本船除常规船舶安全航行设备外，还设有大量电子设备，因此汇流排设计成三个独立的分段：汇流排A 段连接1 号发电机组、B 段连接2 号发电机组，采取联络开关进行连接。当汇流排某一处故障时，可通过断开联络开关保护另一分段上的设备供电的连续性；B 段、C 段（连接3 号发电机组）由断路器连接。除试验状态外，B 段、C 段连接断路器保持接通，本船执行试验任务并需要分区供电时，B 段、C 段的连接断路器分断，使3 号机组独立向试验设备供电。

② 分区供电操作，可在自动电站管理下自动进行，也可在非自动电站状态下人工操作完成；分区供电结束后，一般应将3 号发电机重新整步，待到3 号发电机达到同步条件时，将B 段、C 段的连接断路器合闸与其他发电机并网运行，以保持系统设备的连续供电；也可以手动切断3号发电机主开关，将3号发电机停机，然后将B 段、C 段的连接断路器合闸，此时系统将不能连续供电。

4.2 应急配电板

（1）在应急发电机室设应急配电板一块，用于控制、保护应急发电机和对全船AC380 V/AC220 V 应急设备供电。应急配电板由2 屏组成，包括1 屏发电机控制屏/负载屏、1 屏负载屏；

（2）应急配电板为钢质自立式结构，防护等级为IP22；应急配电板前面为面板，侧面设旁板，前部有扶手；应急配电板为板前维修，底部进线；

（3）应急配电板发电机主开关为MSX250 自动空气断路器，脱扣器额定电流160 A，具有过载长延时、短路短延时保护及欠压脱扣保护等功能。

（4）当主电网失电时，应急发电机在45 s 钟之内完成自动起动，通过应急配电板向应急设备供电；在主配电板恢复供电后，应急发电机主开关应自动分闸，应急发电机空载运行一段时间后停车；应急发电机不能与主发电机并车。

5 结语

电力系统设计是船舶设计重要内容，直接影响船舶安全及功能的实现，设计科学合理的电力系统，既有利于提高船舶的航行安全性，也可以提高经济性。