1、第 6 章87第 6 章 船舶电站6.1 船舶电力系统概述近代船舶象一个可移动的海上城市，它有许多设备都需要使用电能，因此在船上都配备有一个发电、配电、输电、用电的独立系统船舶电力系统。随着船舶的大型化和自动化程度的不断提高，越来越多的船用设备需要用电来驱动和控制，船舶电力系统亦日趋庞大。6.1.1 船舶电力系统的组成船舶电力系统主要由电源、配电装置、电力网与负载四部分组成。其单线原理如图 6-1 所示。图 6-1 船舶电力系统简图电源：电源是将机械能、化学能等能源转变成电能的装置。船上常用的电源装置是柴油发电机组和蓄电池组。配电装置：配电装置是对电源和负荷进行分配、监视、测量、保护、转换和控
2、制的装置。配电装置主要可分为主配电板、应急配电板、分配电板(动力、照明) 蓄电池充放电板、弱电配电板及岸电箱等。船舶电力网：它是全船电缆电线的总称。电网是联系发电机、主(应) 配电板、分配电板和负荷的中间环节，是将电源的电能输送到负荷。负荷：即船舶各种用电设备，它是将电能转换成其他形式能量的装置。船舶负荷大体可分成舱室机械、甲板机械、船舶照明、通导设备、生活及其他用电设施。6.1.2 船舶电力系统的特征和基本要求船舶电力系统与陆上电力系统相比有很大差异主要有以下几个方面：(1) 船舶电站容量较小陆上电网容量一般在几百万至几千万千瓦，单机容量大多在数十万千瓦，一般远洋船舶主电站大多装 3 台发电
3、机组，多数发电机单机容量为 400-l000kw。由于船舶电站容量较小，而某些大负载容量可与单台发电机容量相比，所以当这样的负载起动时对电网将造成很大的冲击(电压、频率跌落均很大) ，此外，误操作或局部故障都容易导致全船断电，威胁船舶安全。因面对船舶电力系统的稳定性提出了较高的要求。如船用发电机调压器的动态特性与陆上发电机相比具有较高的指标要求，有强行励磁的能力，发电机应能承受较大的过载能力。另外，由于船舶工况变动也较频繁，因此对自动控制装置的可靠性也提出了较高的要求。(2)船舶电网输电线路短与陆上数千公里高压输电网络相比，船舶电网输电线路短，大多数船舶发电机端电压、电网电压、负荷电压是同一个
4、电压等级(500V 以下) ，所以输配电装置较陆上系统简单。由于船舶空间的限制电气设备比较集中，电网长度不长(一般不超过 200m)并都采用电缆，所以对发电机和电网的保护比陆上系统要简单，一般只设置有发电机过载及外部短路的保护，电网的保护和发电机的保护通常共用一套装置。(3)船舶电气设备工作环境恶劣船舶电气设备工作条件比陆地恶劣得多，环境条件对电气设备的运行性能和工作寿命有严重影响。当环境温度高时，会造成电机出力不足，绝缘加速老化。相对湿度高则会使电气设备绝缘受潮、发胀、分层及变形等，使绝缘性能降低，并且会使金属部件加速腐蚀。空气中的盐雾、油雾的存在，霉菌的生长及灰尘粘结都能使电气设备绝缘下降
5、、工作性能第 6 章88受到影响。当船舶营运时常常受到严重的冲击、振动、倾斜和摇摆时，也会造成电气设备损坏、接触不良或误动作。由此可见，船用电气设备必须满足“船用条件”的要求。6.1.3 船舶电力系统的基本电气参数船舶电力系统的基本参数是指电流种类(电制) 、额定电压和额定频率的等级。它们决定了电站工作的可靠性和电气设备的重量、尺寸、价格等。(1)电制的选择由于电源有直流电源与交流电源之分，因此船舶电力系统也相应有直流电力系统与交流电力系统，习惯上把它们称为直流船与交流船。目前除特种工程船舶外，几乎都采用交流电力系统。交流船舶的电气设备在维护、保养等方面工作量比直流船要少得多，且交流电机结构简
6、单、体积小、重量轻、运行可靠其相应控制设备也简单。当采用三相三线绝缘系统时，照明电网与动力电网没有电的直接联系，因此对地绝缘电阻低的照明电网基本上不影响动力电网。采用交流电制后，船舶的造价和维修费用也有明显的降低。安全可靠性和自动化程度大为提高。(2)额定电压的选择船舶电力系统额定电压的大小直接影响到电力系统中所有电气设备的重量和尺寸、价格 等技术经济指标和人身安全问题。提高电压主要是使电缆网络的重量和外形尺寸减少，对电力系统中的其他元件的重量、尺寸特性影响并不大；可是电压的提高对电气设备的绝缘和安全方面也提出了更高的要求，因此船舶建造时选择额定电压主要考虑是与本国陆上低压电网额定电压相一致。
7、由于船舶电站容量的增加，在一些大型船舶、工程船舶及舰船上电站容量已达数万千瓦，这时仍采用低压系统标准显然已不合理，因此这类船舶大多采用陆上相应中压等级标准(如 3.3kV)。目前运行中的或正在建造中的远洋船舶主电站额定电压不是采用 400V 的就是采用440V 的标准。我国钢质海船建造及人级规范 规定：非电力推进船舶的限制电压为5(30V，动力负载、具有固定敷设电缆的电热装置等的额定电压为 360V，电灯、生活居室的电热器限制电压为 250V，额定电压为 220V。因此，360V 动力系统的发电机额定电压为400V，照明电源额定电压为 230V。(3)额定频率的选择交流船舶电力系统的额定频率选
8、用陆上的标准等级，有 50Hz 与 60Hz 两种标准。我国采用 50Hz 标准。6.2 船舶配电装置6.2.1 概述船舶配电装置是用来接收和分配船舶电能，并能对发电机、电网及各种用电设备进行切换、控制、保护、测量和调整等工作的设备。它是由各种开关、自动控制及保护装置、测量仪表和互感器、联接母线、调节手柄和信号指示等电器设备按一定要求组合而成的一个整体。船舶配电装置的主要功能有：正常运行时接通和断开电路(手动或自动) ；电力系统发生故障或不正常运行状态时，保护装置动作，切断故障元件或发出报警信号；测量和显示运行中的各种电气参数(如电压、电流、功率、频率、功率因数、绝缘电阻等) ；进行某些第 6
9、 章89电气参数或有关的其他参数的调控(如电压、频率即转速的调整) ；对电路状态、开关状态以及偏离正常工作状态进行信号指示等。船舶配电装置按其用途的不同可分为：主配电板(或称主电站、总配电盘) 、应急配电板(应急电站、盘)、分配电板( 盘) 、充放电板(盘)、岸电箱、集中综合控制板等。船舶配电装置按其结构形式可分为防护式、防滴式、防水式三种，通常总配电板和应急配电板多采用防护式。船舶配电装置均由钢板(2mm 厚) 做成箱体式结构。各种开关设备、控制器、电气测量仪 表、信号指示器及保护电器等均安装在其上面。板面还装有扶手，使工作人员操作时不致触及带电部分。板后敞开以便维修。仪表、指示灯与转换开关
10、等小型电器常安装在面板上，其安装位置应便于观看，大型开关和调节、控制设备安装于底座上，操作手柄伸出板面，面板做成固定形式井安装在便于操作的位置。配电装置内电器安装的位置也应考虑到便于调整、检修和拆换，配电装置的骨架和箱体应有足够的强度，在振动和冲击情况下，不应发生有害的变形。6.2.2 主配电板主配电板，它主要由发电机控制屏、并车屏和负载控制屏组成，全船电力系统的发电、配电都集中在主配电板上进行操作控制、保护、测量和监视，可谓是全船电力系统的中枢。主配电板一般安装在机舱平台上的控制室内，在自动化程度较高的船上则与主机操纵台一起都装在带空调井隔离的集控室中。每一屏的面板上装有各种必需的配电电器和
11、测量电表等。根据各屏的控制对象或作用不同，可分为发电机控制屏、并车屏、动力负载屏、照明负载屏等(1)发电机控制屏发电机控制屏是用来控制、调节、监视和维护发电机组的，每台发电机都配备有单独的控制屏。发电机控制屏面板常设计成上、中、下三部分，上部面板装有测量仪表、转换开关及指示灯，一般均做成门式，以便进行维修；中间面板装有土电源开关、指示灯、充磁按钮等；发电机的自励恒压装置用相复励变压器(有的船舶放在机旁或固定在机体上) 、移相电抗器、励磁变阻器等较沉重的设备安装在下部面板内。(交流)发电机控制屏上配备的电器仪表主要有：电流表(A)及转换开关：可分别测量发电机(每台发电机一个)任意一相的负载的线电
12、流，其通过转换开关进行操作；电压表(V)及转换开关：可分别测量发电机和汇流排任意二线间的电压(每台发电机一个) ，其通过转换开关进行操作； 频率表(H2)：测量发电机的频率(此表指针在不通电时可停留在任一位置)；功率表(kW)：测量发电机的三相总有功功率；功率因数表( )：测量发电机的功率因数；cos励磁电流表：可分别测量各发电机励磁电流；有的船舶还装有无功功率表。根据船舶的不同，功率因数表、励磁电流表、无功功率表有的装其中一种或一种也不装。原动机调速开关：用以调节发电机的频率和并联运行时进行有功负荷转移。开关有“升速”和“降速”两个方向，并能自动复位到中间位置。它实际上是控制调速伺服电动机的
13、正反转开关；框架式自动空气开关：主要用于接通与断开发电机主电路，对发电机过载、短路、失欠压进行保护。发电机主开关、合(分)闸按钮、调速开关(按钮) 、信号指示灯一般位于发电机控制屏的第 6 章90中部，便于操作的地方。发电机主开关通常均采用框架式自动空气断路器。发电机控制屏上指示灯主要有指示发电机组状况的红、绿指示灯，某些船舶还装有黄色指示灯。红色指示灯：发电机组启动成功但未合闸时指示灯亮。绿色指示灯：发电机主开关合闸供电指示灯亮。黄色指示灯：发电机组启动建压成功主开关已储能指示灯亮，主开关合闸指示灯熄灭。发电机励磁装置、继电保护装置一般位于控制屏的下部。一般控制屏上还有充磁按钮。(2)并车屏
14、在并车屏上一般安装有隔离开关(将左右两侧母线连通的开关) 、粗同步电抗器及主接触器、熔断丝、粗同步或准同步并车装置，在这一屏上可以操纵任一台发电机的调速、投入与切除、自动或半自动并车；其面板上设有：整(同) 步表及转换开关( 整步指示灯) ：通过转换开关指示任一台发电机与电网电压之 间的频率差及相位差；两个频率表：用于指示电网及待并发电机的频率，有的船舶采用一个组合式整步表；两个电压表：用于指示电网及待并发电机电压，确的船舶采用一个电压表，通过转换开关切换测量。有些船上不专门设并车屏，而是将并车操作、指示装臀安装在某一发电机控制屏上。以上各类仪表及配电电器所测量或获取的发电机电压、电流量均需经
15、过电压互感器和电流互感器，不可直接从母线上测取。采用电流互感器和电压互感器可使测量仪表、各电器装置标准化、与原边高压及大电流隔离、工作安全。为了人在接触测量电仪表和继电器等时的安全，瓦感器的副线圈一端应接地，这样当互感器的绝缘损坏时，可防止仪表上发生高电压触电的危险。还应注意电压互感器副边不许短路( 副边用熔断器保护) ；而电流互感器副边不许断路，否则会在副边感应出高压，烧坏所接仪表等设备。(3)负载屏负载屏主要是用于各供电分路进行控制、监视和保护，并通过装在负载线路上的馈电开关将电能供给船上各用电设备或分电箱。供电给动力负载各分路的屏称为动力负载屏，般船舶按动力负载的多少可设二至四屏；供电给
16、照明负载的负载屏称为照明负载屏，般只需一至二屏。普通负载屏主要是由配电刀；关、熔断器、部分还有电流表、电压表、绝缘表( 兆欧表 )及其转换开关组成：对于组合控制屏类的负载屏主要是由配电开关负M载启动继电一接触控制装置启动与停止按钮、指示灯、熔断器等部分组成。负载屏上配电开关大多采用的是塑壳式自动空气断路器，某些船舶对些大负载或刮负荷也有采用框架式自动空气断路器。(4)汇流排(连接母线 )汇流排起联系各发电机、负载(或分配电板) 的桥梁作用。各发电机发出的电能经主开关 先送到共用母线即汇流排上，由汇流排直接或经分配电板向负载供电。有的船舶汇流排由二或三段组成，各汇流排之间根据需要通过隔离开关接通
17、或断开。从汇流排的连接上能直接反映出全船的供电、配电情况。如发电机是并联运行，还是单分区供电；汇流排分为几段，当检修某些电器设备时，如何保证重要用户不停电；主发电机割急发电机、岸电之间关系及它们负担的用户；直接供电和经分配电板供电的用户等。汇流排及其连接件一般由优质铜材做成。常用尺寸为：宽度不少 15mm，亦不大于第 6 章91100mm，厚度在 2-6mm 之间，如果一根母线的载流量不够，可采用几根合成；此时安全载流量相应降低。汇流排的颜色一般如表 6-1 所示。我国与日本国规定的汇流排颜色标记交流电A(R、U) B(S、V) C(T、W) 接地线 中性线中国 绿 黄 褐或紫 黑 灰日本 红
18、 白 黑 绿对于交流汇流排的排列顺序：当从前面看时，按从前到后、从下到上；从左到右排列。总(主)配电板内的汇流排上应接有滤波电容，以防止电源对无线电设备的干扰，滤波电容踞的电容量一般为 0.5 。F在有集控室的船舶上还设有集中控制扳，它可对主机、辅机和发电机等进行集中控制和监视，设置在机舱内的集控室中，制成桌型或工作台式，通常称为机舱中的中央控制板，在上面装设有多点巡回检测装置和数据处理装置等。(5)船舶主配电板电路原理图图 6-2 所示为某船舶交流主配电板部分接线原理图。船舶主配电板线路虽然不尽相同，但它们都是由一些基本环节所组成，它们通常是：发电机调压装置，发电机保护，发电机组并车，发电机
19、组参数调整，发电机及电网参数的测量与信号指示，发电机故障报警，岸电供电，汇流排结构，负载配电，负载起动控制装置(若具有组合控制屏) ，照明变压器，发电机充磁等环节。图 6-2 交流主配电板接线原理图6.2.3 应急配电板 (1)应急配电板应急配电板是用来控制和监视应急电源的工作情况，并将应急发电机送出的电能，通过应急电网向全船应急负载供电。它通常由应急发电机控制屏和应急负载屏组成。一般安装在艇甲板上与应急发电机在同一舱室中，屏上所安装的仪表和电器与总配电板基本相同，只是因应急发电机总是单机运行的，故不需要并车和逆功率保护装置。(2)主配电板与应急配电板间关系现代船舶主配电板与应急配电板间关系早
20、已不是过去那种互为连锁的关系，大多已采用图 6-3 所示的方案。图 6-3 主配电板与应急配电板间关系单线图在这种方案中，主配电板上连接应急配电板的开关 MCB 大多采用塑壳式自动开关，应急配电板上的联络开关 EMCB 往往采用框架式自动开关 (若使用塑壳式自动开关，则应配上电合闸操作机构)。这种方案的好处在于航行期间当需试验应急发电系统时，无需船舶电网断电，在主电站保持正常供电情况下，将应急配电板上试验开关从。位打到试验位，自动应急控制系统立即发出使应急配电板上联络开关 EMCB 跳闸指令，应急配电板即失电。这种系统只要应急汇流排失电，处在备用状态的应急发电机组就自动起动，起动成功、电压建立
21、后应急发电机主开关 EACB 立即合闸向应急电网供电。此时船舶即处在主电站、应急电站同时供电状态，只不过现在这两个电网没有电的直接联系。当需结束试验时，只需将试验开关扳回。位，控制系统检测到主电网有电时，应急发电机主开关 EACB 先跳闸，当 EACB 分闸后 EMCB 即合闸，应急配电板汇流排恢复由主电站供电。需要注意的是EACB 与 EMCB 是互为连锁的。第 6 章92无论是 EACB 与 EMCB 间的连锁，还是主电站发电机主开关 ACB 与岸电开关间的连锁，都是通过每个开关的失压脱扣器实现的。即将各自开关本身的一副常闭副触点串入对方失压脱扣器线圈回路里(在与岸电的连锁中，需将主电站所
22、有发电机主开关的常闭副触点串联在一起)实现的。应急发电机组一般都装有自动起动装置，当主电网失电时，应急发电机组应(立即) 自动起动，并使应急发电机主开关自动合闸；主发电机一旦恢复供电，应急发电机应自动切断供电，并立即停车。6.2.4 岸电箱及其他配电装置(1)岸电箱船在停泊(修理)时，为能使岸上或其他外来电源接人船内，船上均装有岸电箱，它应能满足接岸电时的各项要求：岸电箱内应设有岸电接线柱、自动开关或开关加熔断器。在岸电箱与主配电板上应有岸电指示灯，以指示岸电是否有电。对岸电为中点接地的交流三相系统，应设有一接地接线柱，以便将船体接至岸上的接地装置或岸上电网的零点。应有梭测岸电极性(直流船 )
23、和相序(交流船) 的措施。三相交流岸电箱上指示相序可以有相序指示器、相序指示灯来指示相序。(2)分配电箱(板 )分配电板是将主配电板负载屏输送来的电能经分配电板给所在区域的各类(或同类) 用电设备进行配电。分配电板通常又分为动力、照明、无线电、助航通信等类型。分配电板内一般装有分路开关、电器仪表、指示灯和熔断器等。(3)无放电板充放电板是用来控制和监视充电电源的工作情况和蓄电池组的充电和放电，并对负载进行配电。充放电扳上主要设有电源开关、保护熔断器、指示灯、电压表、电流表以及充、放电转换开关等。以蓄电池电源作为船舶小应急电源时，则充放电板上还设有能在主电网况失电情况下自动接通应急负载的控制电路
24、。蓄电池组的充电电源一般由交流电网(交流船) 经半导体整流后供电。(4)电工试验板电工试验板安装在电工工作室，作为试验船上电机、电器、自动装置等电器设置的电源板，板上接有船上各种电源种类，并装有各种灯座、插座及电源接线柱、仪表等。6.3 船舶电网和电缆6.3.1 概述由船舶电缆、导线与配电装置以定连接方式组成的整体称为船舶电力网络，简称船舶电网。船舶电网的作用就是实现电能的传输。对船舶电网的基本要求是生命力强，即在电网遇到故障或局部被破坏(损) 时仍能保负载的连续供电，并限制故障的发展和将故障的影响限制于最小的范围。此外，尚要求经济性好、安装及使用维修方便灵活等。船舶电网一般可分为供电网络和配
25、电网络两部分。供电网络是指发电机与主配电板间、应急发电机与应急配电板之间、主配电板与应急配电板之间的电气联接网络。配电网是指从主配电板到用电设备的电气联接网络。因为船上负荷较多，所以不可能全部负载都主配电板直接供电，往往只是容量较大的设备(如空压机、锅炉鼓风机) 和一些重要设备(如舵机、锚机等) 由主配电板敷设单独馈电线供电，其他设备则由主配电板送到分配电板；再由分配第 6 章93电供电给负载。为分析问题的方便，通常把直接从总配电板至负载以及从主配电板至分配电板的辅电线路称为一次网络，而由分配电板向负载的馈电线路称二次网络。6.3.2 船舶电网线制对于采用三相交流电的船舶，常用的配电线制有三种
26、(图 6-4)。(a)三线绝缘系统(即三相三线系统)；(b)中点接地的四线系统(三相四线系统 )；(c)利用船体作为中性线回路的三线系统(中点接地的三线系统)。图 6-4 交流电网线制三相绝缘系统的特点是照明系统与动力系统是经过变压器相联系的，所以在两系统间只有磁的联系而没有电的直接联系，相互间影响小，照明电网绝缘电阻低也不至于影响动力负载；再者当这种系统发生单相接地时不会产生短路电流，三相线电压之间的对称关系并没有被破坏，因而动负力载仍可正常工作；但需迅速找出接地点，防止再有一点接地而形成短路。对中点接地的三相四线系统，其特点是动力负载和照明负载可由同一电源供给所电压，维护方便，不需要经常检
27、查电网的绝缘电阻。但发生单相接地时，即构成短路回路，此短路电流较大；使自动开关跳闸，降低了供电的可靠性。目前大多数船舶是使用三线绝缘系统，但也有些船舶是使用中点接她的四线系统，而利用船体作为回路的三线系统规范上明确规定；对 1600 总吨以上船舶不允许使用。6.3.3 船舶配电网络（1）配电网络的分类根据用电设备及供电电源的不同，船舶配电网络可以分为下列几种：动力电网：指供电给电动机负载的电网，还包括 600w 以上的电热装置及功率大于lkW 的探照灯。其传输的电能约占全船用电设备总电能的 70以上。它可由主配电板直接供电；也可由安装在同一场所的各种性质相同的辅机合并成组由分配电扳或分电箱供电
28、。正常照明电网：指供电给全船照明(包括航行灯) 、660W 以下电热界和小功率单相电机(如电扇、机修设备等)的电网。一般经降压变压器(360V220V)与总配电板母线相连，既降低了电压，也改善了电网的绝缘性能。对机舱中的照明须交叉分布，并至少有两个独立供电线路，以保证在一线路有故障时仍可保持有 50的照明。外部照明应在驾驶室能集中控制其开断和接通。动力电网和照明电网又统称为主电网。应急电网：当船舶主电源因故不能供电时，应急发电机将通过应急配电板向船上部分必要工作的设备供电，由这部分供电电缆构成的网络称为应急电网，正常情况下由主配板供电。小应急电网：由临时应急照明蓄电池供电给所对应照明设备的输电
29、网络。弱电电网：指向全船无线电通信设备、各种助航设备、船内通信设备以及信号报警系统供电的网络，这类用电设备的特点是耗电量不大，但对供电电源的质量和电气参数(如电压、频率及稳压、恒频的性能等)有特殊的要求，与主电网不尽相同，因此船上有时需置专门的变流机组或逆变装置向弱电设备供电。(2)一次配电电网的布线方式即是指主配电板与直接供电设备或分配电板之间电缆的连接方式；一般可由两种方式布线：一种是放射状(树枝状或馈线式 )；另一种是环状布线，图 6-5 绘出了这两种配电方式的单线示意图。图 6-5 船舶电网的结线方式a)枝状结线；b) 环状结线第 6 章94树枝状布线：由主汇流排为主干；配电网络像树枝
30、似地分布，这种方式在船上应用最为普遍，它有如下特点：电缆的总长度比较短；继电保护装置及开关数量少，整定和保养容易；便于增加新的负荷；与环状配电方式比较投资少。采用这种方式便于集中控制，也有利于船舶电站自动化程度的提高。环状布线：发电机主汇流排与各分配电板汇流排通过自动开关串联成环状，负载分别由各段汇流排上引出，这种方式的特点是比树枝式配电可靠性高；电压损耗和功率损耗比较小；维修保养复杂；与树技式相比价格高。这种配电方式主要用在军舰和客轮的配电网络中。(3)重要用电设备的供电方式船舶上有不少用电设备在确保船舶航行和作业的安全性和可靠性方面占据着很重要的地位、因此对这些重要用电设备的供电必须要有足
31、够的可靠性和较高的生命力。常常从电网供电方式和布线方面采取如下措施来保证。由主配电板直接供电而不是经分配电板供电；如舵机、锚机、消防泵、航行灯控制箱、无线电电源板、陀螺罗经、苏伊士运河探照灯等都要由主配电板供电。此外对一些大功率用电设备，考虑其用电容量等因素，也采用一次网络直接供电(如起货机、海水泵) 。由两路输电线供电。对于某些特别重要的用电设备可以采用两条相互独立的输电线进行双路供电，以保证在一条输电线发生故障的情况下亦不致于断电。如舵机和航行灯控制箱就是采用双路供电。通常舵机可分别由主配电板在左右舷馈线供电或由主配电板及应急配电板分别供电。航行灯控制箱则一条由主配电板或应急配电板供电，另
32、一条由附近的照明分配电板引出。采用分段汇流排的方式供电，船上有不少用电设备(特别是为主辅机服务的动力设备)都设有两台或两台以上，可将它们分成两组并分别由主配电板上的两段独立的汇流排供电。6.3.4 船舶电缆船用电缆按其用途不同可分为电力电缆和射频电缆两大类，前者大量用于各种动力、照明和控制线路。(1)电缆结构电缆主要由导电芯线、电气绝缘和防护套三部分组成，其结构如图 6-6 所示。导电芯线：它是由不少于 7 根直径为 0.262.47mm 的圆形软铜丝绞合而成的。船用电缆根据不同需要可做成单芯的、双芯的、三芯的和多芯的。芯线的截面也根据不同载流量的需要有 0.6-40 等各种不同规格。2m图
33、6-6 船用电缆的构造(2)电气绝缘电缆的每一根芯线都用绝缘材料(一般为纱线、橡皮) 包起来，作为芯线与芯线之间、芯线与外界的电气绝缘层之用。电气绝缘质量的优劣直接影响到电缆的允许载流量和整个电网的电气绝缘性能。船用电缆常用的电气绝缘材料有聚氯乙烯、天然橡皮、丁苯一天然橡皮、丁基橡皮、石棉漆布及矿物或有机硅橡皮等，各类绝缘材料其导电芯的最高允许温度为 65 ，甚至可达 95 (如矿物或有机硅橡皮) 。0C0(3)护套与铠装护套的作用主要是作为保护电缆免受油水、化学腐蚀和机械损伤之用，有的还具有防燃性能。护套的材料有氯丁橡胶复合物、聚氯乙烯复合物或铅、铅合金等。铅护套囚机械强度较低，敷设困难等原
34、因，船上很少使用。有些船用电缆在其防护套外还加上一层铠装它能增强抗机械损伤能力和起电的屏蔽作用。船用电缆采用的铠装材料有镀锡铜丝编第 6 章95织、尼龙编织及金属软管等。6.4 电力系统自动调压及并联运行6.4.1 船舶电力系统继电保护船舶电力系统的供电可靠性和连续性是保证整个船舶正常安全航行和进行各种作业的必备条件。船舶电力系统在实际运行过程中，由于设备本身或操作管理等方面的原因，而出现各种故障或非正常运行状态，它们会使电力系统的安全可靠运行受到威胁，严重者会导致设备的损坏或使电力系统供电中断。船舶电力系统的主要故障(也是船舶同步发电机的主要故障有：过载、(同步发电机外部 )短路、欠压、频率
35、不正常和逆功率等状态。船舶电站是现代船舶的心脏，发电机是船舶电站中最重要的设备，保护发电机不损坏是船舶安全航行的重要保证。针对船舶发电机各种不正常运行和故障，必须装设相应的继电保护装置。短路是电力系统最严重的故障。所谓短路是指电气设备或线路中不同相(或不同极性)的导电部分碰在一起或同时与金属船体相碰。在三相交流系统中可能发生的短路故障有单相短路、二相短路和三相短路。发生短路故障的原因一般是由于电气设备或电缆的绝缘老化，受机械损伤、操作不当等原因所造成。短路故障若不及时排除，将会直接导致电机、电器间产生强大的电动力冲击而破坏电气设备，此外短路电流还会导致电网电压的急剧下降以及并联发电机间的失步，
36、破坏电力系统的稳定运行，以致最终导致整个电力系统断电。过载(指电流过载)是船舶电力系统常见的不正常运行状态，其包括发电机过载运行和电网过载两种情况。长期电流过载会使导线升温过大而导致绝缘老化，缩短电气设备或电缆的使用寿命，而发电机的过载还可能引起原动机的超负荷运行。逆功率故障是当发电机处于并联运行状态时，可能会由于操作不当或其中一台原动机的故障使发电机转为电动机运行状态，这不仅加重了其他发电机组的负载，而且对逆功率机组的原动机也不利。船舶同步发电机本身内部也有可能产生电气或机械故障，例如：定子绕组的相间短路、单相绕组层间短路、单相绕组接地：发电机转子绕组的匝间短路、转子绕组接地等。但由于船舶发
37、电机属于低压系统，即电压不高，而且又定期检查，因此船舶发电机内部故障出现的机会极少，另外发电机到主配电板之间的电缆也比较短，故均不专设保护装置。关于运行发电机出现过电压的情况。对于不可控自励发电机，从调压器工作原理中可看出几乎不可能产生；对于带电压校正器的发电机，在可控硅失控等情况下是完全可能产生的。在这种情况下，可考虑在电压超过 15-20时延时 23s 切断主开关。固过电压故障情况较少，所以目前船上几乎都不使用过电压保护。对频率不正常运行保护是没有必要的。因为频率下降显然影响系统中机械的正常运行，但这些将转为引起主机油压降低、循环水压力降低等故障，从而会很快报警通知值班人员采取措施。频率下
38、降，对机械和电动机(拖动位能性负载除外 )本身也无过热等不良影响；频率升高的可能性不大，且原动机本身已具有飞车保护，故亦可不予考虑保护。各国船级社对船舶发电机的保护均只设有：过载保护、外部短路保护、欠压保护和逆功率保护。通常这些保护装置都是以中断供电来实现保护的。但如保护特性选择不合理，往往会造成不必要的电源中断，影响安全航行和有效的船舶营运。在大多数情况下，船舶的较大负载的变化使电网出现“故障或不正常运行” ，这些都是暂时性的。当不正常运行在一定数量之内和在一定时间之内可以认为是允许的，因为设备第 6 章96允许有一定的过载能力，而且不正常运行也不会立刻引起破坏性事故，因此在一般情况下，保护
39、装置首先应能避开暂时性的“故障和非正常的运行”状态，以保证连续供电。在这里，“数量”和“时间”这两个概念对发电机的保护和电网的稳定运行是十分重要的。因此，大多数保护动作值均有反延时进行。对于具有自动电力管理系统的电站，除船级社规定的各项保护功能外一般大多还具有欠频保护处理及电压不正常报警等功能。6.4.2 电动机的自动调压任何一个电力系统，必须保持在额定电压下运行。因此，保持电压的恒定是供电质量的重要指标之一。但是实际上电压总是经常变动的，船舶电网由于容量小，所以电压变动尤为严重。为了保证电力系统的正常运行，同步发电机自动电压调整器起着十分重要的作用。1自动电压调整装置的作用根据船舶电力系统正
40、常运行的要求，自动电压调整装置应具有下述二个主要作用：(1)电压控制发电机励磁电流，以保持端电压的恒定。(2)无功功率分配控制同步发电机并联运行时，只要在网并联运行的发电机的电势不相等，在网上运行的发电机定子绕组间就会产生环流，引起无功功率分配不均匀。因此需要自动调压装置来调整发电机的电势，以减小机组间的环流，使并联运行机组处于合理而稳定分配无功功率。另外，还要求自动电压调整装置应具有强行励磁能力，在船舶电网发生短路故障时，实行强行励磁，提高电力系统并联运行动态的稳定性和继电器保护装置动作的可靠性。当发电机组起动运行且转速接近额定转速时，自动电压调整装置应能使发电机可靠起励，建立额定空载电压。
41、2. 对调压装置的基本要求为了保证供电质量，对自动电压调整装置总的基本要求是：简单可靠；灵敏度高而稳定；稳态、动态特性好；具有一定的强行励磁能力；合理而稳定分配无功功率等，(1)稳态和动态特性船舶发电机电压足否稳定，取决于自动调节励磁(自动恒乐) 装置性能的优劣。自动电压调整器的稳态特性又叫静态特性，各船级社指标基本相同。稳态特性可这样表 述：原动机在额定转速下运行时，交流发电机连同其励磁系统，应能在负载自空载至额定负载( 额定负载至白空载 )范围内，且其功率因数为额定值的情况下，保持其稳态电压的变化值在额定电压的 2.5以内。应急发电机可允许为 3.5以内。seU10%式中： 静态电压调率；
42、s在规定的负载范围内，发电机电压的静态最大(最小) 值；s-发电机额定电压。eU动态特性各船级社的指标有一些微小差别，但可这样表述：当发电机在额定转速燥电压接近额定值(ZC 指标)或额定电压(GL 指标) 下运行时，如突加或突卸 60额定电流及功率因数不超过 0.4(滞后)的对称负载时，当电压跌落时，其瞬态电压值应不低于额定电压的第 6 章9765；当电压上升时，其瞬态电压值应不超过额定电压的 120，而电压恢复到与最后稳定值(ZC 指标)或额定值(如 GL 指标)相差 3以内所需的时间，则不应超过 1.5u。(2)无功分配无功分配指标各船级社基奉相同，可这样表述：如输出功率相同的发电机并联运
43、行，则当有功负载平均分配时，其每台发电机的无功负载与其按比例分配值的偏差不应超过其额定无功功率的 10。在不同定额的发电机并联运行时，假设有功功率按比例分配，则无功负载与具按比例应分配值之差不应超过下列两值中较小者：最大发电机额定无功功率的 10；最小发电机额定无功功率的 25。(3)强行励磁电力系统的特点之一，是过渡过程非常快。当负载突变或发生短路时，电压会突然下降很大。这将给电力系统的运行带来许多问题，甚至可能使电力系统丧失稳定。因此，由提高发电机并联工作稳定性和电动机运行稳定性以及继电保护装置动作的准确性等动态稳定性的观点出发，要求调压装置的动作要迅速。从短路保护的选择性要求出发，也要求
44、调压装置在发电机运行时，一旦发生外部短路，发电机在短路瞬间应能提供足够的短路电流，以供负载开关跳闸。对此有关船级社(如 GL)规定：当接线端于三相短路时，稳态短路电流应不小于 3 倍也不大于 6 倍的额定电流，发电机及其励磁机必须能承受此稳态短路电流两秒钟而无损坏。中国船级社也有类似的规定。综上所述，均要求调压装置要有强行励磁能力。强励能力通常可用强行励磁倍数和发电机电势最大上升变化率来描述。3调压装置的分类船舶同步发电机自动调压装置的类型很多，其中绝大部分足采用白励形式，但不论何种调压装置，都是通过调整发电机的励磁电流来调整其端电压和并联运行时承担的无功功率的。按照被检测量的不同，自励调压装
45、置一般可分成三种类型：(1)按发电机的负载变化(即电流 I 和功率因素 )进行比例调节cos它是按发电机电流的大小及其功率因数来对发电机励磁电流进行调节的。由于其被测量(即电流 I 和功率因素 )和被调量( 发电机输出电压 u)不同，所以是一个开环调节系cos统；另一方面由于电流 I 和功率因素 的变化对发电机端电压的影响与其引起恒压装置cs对励磁电流的调整作用几乎是同时发生，这类装置从理论上就存在：静态特性较差、动态特性较好。这类装置的静态电压调整率最好也只能达到：2左右。不可控相复励调压装置就属于这种类型。(2)按负反馈(电压偏差 )进行比例调节U它是按发电机输出电压的偏差 来对发电机励磁
46、电流进行调节的。由于被检测量和被调量都是发电机端电压，恒压装置与发电机构成一个闭环调节系统。这类装置从理论上可做到无静态偏差，由于并联运行的需求，实际调压装置应是一个有差系统，所以这类装置的电压调整静态精度高，现在静态电压调整率一般均在 1以内。欠缺的是动态特性不如按扰动进行调节的装置。可控硅调压装置就属于这种类型。(3)按 I、 和 复合原理进行调节cosU它是按扰动与电压偏差的综合信号进行调节的，即按发电机的电流大小及其功率因数和 发电机输出电压偏差来对发电机励磁电流进行调节的。这类调压装置是将上述两种调压装置 结合在一起，所以具有上述装置的各自优点，而克服了各自的不足之处，即调压装置的静
47、态特性与动态特性都很好，但结构较复杂。可控相复励调压装置就属于这种类型。第 6 章98励磁调节器分类如图 6-7 所示。图 6-7 励磁调节器分类6.4.3 轴带发动机为了充分利用船舶主机 1015的功率储备裕量，达到节能的目的，发展起由船舶主机驱动发电机供电的装置，即轴带发电机装置。由轴带发电机向电网供给电能的系统称为轴带发电机系统，图 6-8 为轴带发电机示意图。图 6-8 船舶轴带发电机示意图1轴带发电机的特点(1)轴带发电机系统的主要优点由于船舶主机采用价格低廉的燃料油作为燃料，且热效率高，因而经济性好；船舶航行时，机舱内只有主机运行，故降低了机舱的温度和噪音，改善了机舱的环境； 轴带
48、发电机组的维修工作量少，因此维修费用降低，维修周期延长。(2)轴带发电机系统存在的缺点轴带发电机只能在船舶定迷航行，而且转速在 60-105额定转速范围内时，给船舶电网供电，当主机低速或机动航行时应退出电网。因此为保证全船供电，必须设置辅助发电机组；对于大多数船舶，其主机采用转速可调的中、低速柴油机，因此，当主机转速变化时，轴带发电机的输出电压及频率都将发生变化。为保证输出电压及其频率维持恒定，则轴带发电机的控制系统必将会变得比较复杂； 初投资费用要高一些。2船舶轴带发电机主要类型船舶轴带发电机可分为直流和交流两大类。(1)直流轴带发电机他励直流发电机的电压与转速近似成线性关系变动，所以轴带发
49、电机多采用他励式。同时为维持发电机发出的电压不变，必须采用自动电压调整器。目前船舶电力系统几乎均采用交流系统，直流轴带发电机已很少采用。(2)交流轴带发电机交流轴带发电机的控制环节要比直流复杂，因为主机转速的变化不仅影响电压，而且还影响电网频率。因此为了保证船舶轴带发电机电压和频率稳定，必须针对不同的主机及螺旋桨类型采取不同的措施。螺旋桨可分为定螺距桨和变螺距桨两种，因而交流轴带发电装置可分为两大类，即可变螺距螺旋桨的主机型式和定螺距螺旋桨的主机型式。3变螺距螺旋桨船舶的轴带发电机可变螺距螺旋桨的主机在恒速调速器的作用下，其主轴转速与转向恒定不变，轴带发电机组可使用一般的船用交流发电机组，无需采取特别措施。若主机转速为 n，发电机的极对数为 p，则轴带发电机组的频率为恒定值，即：npf60但是当船舶在风浪中航行时，螺旋桨负荷会急剧变化，主机虽有调速器，但转速仍有较大的波动，致使发电机的频率发生变化。为此，在变螺距浆轴带发电机控制系统中，一般要设自动负荷控制装置，作为主机调遣器的辅助调节装置。另外船舶主机的转速比较低，一般在 150r/min 以下，要发出 50Hz 或 60Hz 的交流电
