1、船舶电站及其自动装置 主讲人 吴志良 船舶电站及其自动装置绪言船舶电站：在舰船上将非电形态的能量转换成为符合要求的电能并向船舶电网供电的设备的总称。船舶电站的发展史：四、五十年代前直流电制（调压、并车简单，调速平滑、广）四、五十年代后伴随自激恒压发电机的发展，交流，电制成为主流（维修、保养简单，动力与照明隔离）六十年代船舶电站实现自动化（仅单元方面）七十年代真正意义上实现船舶电站自动化（集成电路）西门子EEA-22船舶电站自动控制系统、轴带发电机系统。八十年代（微机应用）实现船舶电站自动化。西门子PMA53船舶电站自动控制系统（SIMATIC-S5-95U），可实现电站自动化、智能化。第一章
2、船舶电力系统概述 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 电力负载四部分组成。电源：将机械能、化学能等能源转变为电能的装置。船舶电源主要为主发电机组、应急发电机组、临时应急电源（蓄电池）、岸电2 配电装置：配电板（配电盘）、分电箱 集中分配电能，对发配电进行集中控制、监测、保护3 电力网：船舶电力网由电缆组成（连接电源-负载）4 负载：电力拖动、船舶电气照明等。二 船舶电力系统的特点：(与陆上大电力系统相比，船舶电力系统有如下特点)1 容量小 主电站单机容量一般：n 100KW-n 1000KW，电站总装机容量（3-4）倍单机容量。单个大负荷可以与单机容量相比拟，启动冲
3、击大。2 负载变化频繁 电源-负载距离近（线路压降小，但短路电流大）3 工作环境恶劣（三防）三 船舶电力系统的基本参数 1 电源种类：交/直流2 电压：我国规定：400V，国外日、美船舶采用450V电 压等级。到目前为止，我国商船上尚未有中压电力系统，但在某些特殊工程船舶（钻井平台）及为外国建造的大型油船上，已开始采用33kV或66kV系统，随着造船工业的发展，今后中压系统必会增多。各国的船级社几乎都有关于采用中压的规定，如英国劳氏船级社,CCS 没有关于中压的规定。中压电力系统特点：设备尺寸缩小、重量、电缆截面减小，但绝缘要求高。3 频率：交流配电系统的标准频率为50Hz或60Hz。四 船舶
4、主电站容量确定和 发电机组台数的选择 计算方法有：三类负荷法、需要系数法、概率论法1 三类负荷法将全船所有的电器设备按船舶不同工况下的使用情况分为三类，分别统计计算，找出其用电规律，最终确定电站容量及发电机组台数。船舶主要运行工况有：1）航行：船舶全速、满载航行状态；2）进出港：港内低速航行或靠离码头等机动状态；3）装卸货：货船的装卸货或油船的装卸油状态：4）停泊：停泊码头、无装卸作业状态：5）应急：用电设备按功能分类：1）动力装置用辅机：主海水冷却泵、淡水冷却泵等，2）甲板机械：包括锚机、绞盘、舵机、起货机、舷梯绞车；3）舱室辅机：包括生活用水泵、消防泵，舱底泵、为辅锅炉服务的辅机等；4）机
5、修机械：包括机舱起重行车、车床、钻床和电焊机等；5）冷藏通风：包括冷藏货舱、伙食冷库、空调装 置、使用的辅机及通风机等；6）弱电设备：包括导航通信设备、无线电设备、自动控制设备及充电装置等；7）照明设备：包括舱室照明、航行灯、探照灯 及电风扇等使用照明电源的设备。按使用情况分为三类：类负荷：连续使用的负荷；类负荷：短时或重复短时使用的负荷；类负荷：偶然短时使用的负荷以及按操作规程可以在 电站尖峰负荷时间以外使用的负荷。每个用电设备从电网取得功率的计算：A P1-P5含义P1 电动机（用电设备）的额定功率（输出）P2 被拖动机械的最大轴功率（轮机设计提供）P3 被拖动机械的实际使用功率（轮机设计
6、提供）P4 电动机（用电设备）额定工作时所需功率（输入）（从电网取得）P5 电动机实际从电网取得的功率-负荷计算目标值。B 三个系数电动机利用系数：K1=P2/P1机械负荷系数：K2=P3/P2电动机的负荷系数：K3=P3/P1=P3/P2 P2/P1=K1 K2 C 功率估计电动机（用电设备）额定工作时所需功率P4=P1/ee-电动机（用电设备）额定工作时效率电动机实际从电网取得的功率P5=P3/-K3负荷系数下的效率 一般取e=P5=P3/e=K3P4 无功功率的计算：Q5P5 tg 作表格计算（负荷计算书）根据计算结果选择机组的功率和台数。选择发电机功率和数量，应遵循的一般原则：1）长期
7、运行（如航行）工况下，尽可能采用单机供电，其负荷率（=负荷功率/额定功率）最好在80左右；2）主发电机台数一般3台（至少2台）；尽可能采用同容量。同型号机组，有利于并联运行的稳定性和减少备件；3）必须设置备用发电机组，其功率应等于电站中最大一台机 组的功率，保证当最大一台运行发电机组损坏时，仍能满 足各种工况下船舶电能用户的需要。2 按需要系数法确定电站容量 需要系数是用电设备实际所需要的功率与额定负载所需 功率的比值,用公式表示为：KC=PshPsePse（用电设备实际所需要的功率）=Ps/Psh（额定负载所需功率）=Kc Pse=KC Pe/需要系数应综合考虑：负荷状态、工作制、同时工作的
8、概率。全船用电设备所需功率P=（Kci Psei）1.05 1.05-计及网络损失的系数。3 按慨率论法计算电站容量它是根据统计规律，找到发电机功率与主机功率之间的关系，利用回归分析方法，推导出一些公式，就可以在用电设备未确定前，预先确定发电机的容量。五 配电装置 1 配电装置的功能：集中、分配和控制电能。2 配电装置按用途分类：1）主配电盘（总配电盘）：用于控制船舶主电站2）应急配电盘：用于控制应急发电机3）充放电板：用来控制和监视充电电源的工作情况 和蓄电池组的充电与放电，并将蓄电池组的电能 分配给船上的低压用电设备。4）岸电箱：船舶停靠码头或厂修时，船上发电机停 止供电，将岸上电源线接到
9、船上岸电箱，再由岸 电箱送到应急配电板和主配电板进行分配。3 主配电盘：由许多屏组成：汇流排：A、B、C （绿、黄、褐/紫）接地：黄绿相间或黑色 交流中线：浅兰色直流：正极-红色 负极-兰色 1）发电机控制屏功能：监控发电机组 1屏/机组成：四部分A：调节装置发电机控制屏一般包含有励磁调节AVR及无功分配装置、发电机自动并车装置、发电机自动调频调载装置等。B：控制装置发电机主开关ACB、调速马达开关等C：检测装置主要由各种仪表、互感器组成。D：保护装置 短路、过载、欠压保护、逆功率保护、自动分级卸载 2）并车屏 功能：操作并车组成：同步表、同步指示灯、转换开关、粗同步电抗器3）负载屏负载屏上装
10、有装置式自动开关，电流表、电压表及转换开关等设备从母线上馈电给负载。负载屏分动力负载和照明负载 4 应急配电板功能：控制应急机，向应急电网供电，应急配电板包括应急发电机控制屏和应急负载屏。注意：船舶主电站、应急电站、岸电三者之间任意两者一般不能并联运行。5 充放电板充放电板的作用：对蓄电池进行充电、放电和定期保养，以便向用户正常供电。6 有关检测装置 互感器分类：电压互感器、电流互感器。互感器的作用 1）将大电压、大电流按比例变换成小电压、小电流 2）使仪表、继电保护装置生产标准化，且扩大了仪表 的使用范围。3）使仪表、继电保护和自动装置通过互感器与原边的高电压和大电流隔离，从而保证人身与仪表
11、等电器设备的安全，能可靠工作。电压互感器：（副边标准电压100V）电压互感器使用中的注意事项：1）用时要按照接线标志正确接线，注意同名端2）电压互感器原、副边线圈都不允许短路，否则互感器将通过很大短烙电流而烧毁，因此在电压互感器原、副边都装设熔断器作短路保护3）电压互感器副边线圈一定要接地。电流互感器：（副边额定电流5A）电流互感器使用中的注意事项：1）用时要按照接线标志正确接线，注意同名端2）电流互感器副边线圈不允许开路3）电流互感器副边线圈一定要接地。六 船舶电网及电缆1 船舶电网的线制（配电系统）1）直流双线绝缘系统负极接地的双线系统 船体做回路的单线系统 2)单相交流（同上）3）三相交
12、流A 三相绝缘系统（普遍采用）特点：系统对地绝缘，较安全、可靠，供电 连续性好，一线接地不形成短路；主电网绝缘电阻较高，便于测量对地绝缘；需用照明变压器B 中性点接地的三相四线制特点：不需用照明变压器中性点接地电位固定，系统内部过电压较小若单线接地，形成一相对地短路，可通过保护装置切除，但供电连续性较差；火线对地220V，欠安全 C 船体做中线的三相系统（比B 省一根线）规范规定：油轮只能用绝缘系统大于（等于）1600T 的船舶，不应用船体做回路的配电系统2 配电网络 主（应急）电盘-用电设备之间的网络1）分类：主电网（一次、二次网络）、应急电网、临时应急电 网（蓄电池）、弱电电网2）主电网的
13、结线方式 主要有三种结线方式：放射式、环式和树干式。(1)放射式：所有馈电线均出自主配电板 优点：便于集中控制 缺点：主配电板出线头多（尺寸也需相应地增 (2)环式：优点：每个负载双路供电，可靠性高，生命力强 缺点：维修保养复杂，造价高 因此只有要求高可靠性的军舰和客船才使用此种结线方式。(3)树干式：配电网络像树干似地分布。（应用较广）3 船舶电缆电缆结构：芯线、绝缘层、防护套。船舶电缆的选择：电缆的选择应根据敷设场所的环境条件、敷设方法、电流定额、工作定额、需用系数和允许电压降等因素来确定。1）根据用途及敷设环境条件选电缆牌号2）根据负载电流的大小选电缆芯线截面：出发点：保证温升不超过允许
14、值3）经同一电缆供电给多路负载，该段电缆的电流定额可根据 总负荷乘以需用系数。4）电缆截面的修正 （1）周围环境温度的校正。考虑环境温度经常低于45，电缆电流定额可以增加 另外，当预计到电缆周围的空气温变高于45时，电缆电 流定额应减小。（2）管子内为电缆截面的修正：六根以上成束敷设，取修正系数0.85 （降低电缆电流定额）当管长超过13m，计算电流（电缆通过的负 载电流）应比实际工作电流增加25左右。（3）非连续工作制：如果电缆供电给短时和重复 短时工作制的负载，可加大电缆的电流定额 （乘以大于1的修正系数）5）船舶电网电压降校核 在计算电网的电压时，常常应用“电压降落”、“电压损耗”和“电
15、压偏移”这样三个概念来说明沿线电压变化的情况，电压降落的定义是：电网始端和未端的电压向量差，电压损耗：是输电线始端和未端电压绝对值的差，电压偏移指：网络中某点的实际电压与该网络额定电压的差，可以用伏表示，也可以用对额定电压的百分数表示。例如在额定电压为400V的母线上其实际电压为380V时，则该处电压偏移为20V（一5 )规范规定：在正常最大工作电流时，从汇流排到用户间的电压损耗不应超过6%Ue1）单相交流：电压损耗 u=u1-u2=2 I Rl cos (1)即u1在 u2 上的投影Rl =l/rsr-电导率l-线长（mm）s-截面积（mm）I cos=P/u2 代入（1）u=（2 P l/
16、r s u2）10 （V）P-功率（负载）（KW）电压损耗百分值：u/u2e=(2 P l/r s u2e)10 u2e-负载端额定电压 校核要求这个百分值 6%2）三相 交流负荷：化单相计算：中线电流=0，只有一个线电阻Rl u相=Il Rl cos 又 P三相=3 Il ul cos Il cos=P/3 ul u相/u相e=Il Rl cos/u相e=（P三相 l/r s ul）10=3 Il cos l/r s ul 校核要求这个百分值 6%七 蓄电池1 蓄电池在船上的用途：1）作为临时应急电源或备用电源（30分钟）2）柴油应急发电机组的起动电源。3）报警系统电源。4）船电通讯系统电源
17、。5）主发电机充磁电源 2 分类：酸性蓄电池、碱性蓄电池 3 酸性蓄电池的结构和工作原理 反应方程式表示如下：放电Pb02 2H2S04 十 Pb=PbS04 2H20 十 PbS04（+）（电解液）（-）充电 （+）（电解液）（-）标志：硫酸的比重会降低到1.15为限，端压降低到1.7V为限；充电后，硫酸的比重增加到1.28为限，端压上升到2.4-2.6V为限。酸性蓄电池中每个小电池的电动势为21V。酸性蓄电池的容量：单位：安时用10小时放电率的安时数表示其容量（标称容量）酸性蓄电池的充电：新的或长期库存蓄电池，在使用前需经过初次充电，其步骤如下：配制电解液，用=1.84纯硫酸1份容积加入2
18、份容积蒸馏水配成=1.28的稀硫酸（注意配制电解液时，应把硫酸徐徐注入蒸馏水中，加至液面高于隔板以上1CM，电解液加入后，将电池静置23小时，即可将电池的正负极与电源的正负极对应接好，准备充电。）第一阶段：用1/14容量值（安培）充电25-35小时；第二阶段：用1/28容量值（安培）充电20-30小时；直到电压和电解液比重在3h内基本不变，电解液比重为1.酸28，单个电池电压为242，6V，有大量气泡溢出。通常充电方法：（1）恒流充电法：在充电过程中充电电流保持不变。（2）恒压充电法：在充电过程中充电电压始终保持 不变。（3）分段恒流充电法：在充电初期，蓄电池用较大 电流充电，当蓄电池发出气泡
19、，电压上升到2.4V 左右时，改用第二阶段较小电流充电。此法既 不浪费电力，时间又较省，对延长电池寿命也 有利，是目前船舶上常用的充电方法。（4）浮充电法：蓄电池直接和直流电网并联，电网 向其负载供电的同时也向蓄电池进行充电。电 网一旦失电，蓄电池可以立即向负载供电。过充电法：在正常情况下，再用10小时放电率电 流的（1/2-1/4）进行充电1小时，停1 小时，反复充电直到合闸冒泡止过充电法应用条件：（1）蓄电池已放电到极限电压以下；（2）以最大电流放电超过限度；（3）蓄电池长期充电不足；3 碱性蓄电池：碱性蓄电池的结构和工作原理 总的化学反应方程式如下：放电 Cd 2KOH+2Ni(OH)3 =Cd(OH)2 +2KOH +2Ni(OH)2(+)（电解液）(+)充电 （-）（电解液）(+)上式可以看出，电解液只作电流的传导体，其浓度不起变化。碱性蓄电池的充放电标志：（每个小电池额定电压为1。25V）充电时电压14-1.8V。放电时电压1-1.2V，（0.7V 为极限）碱蓄电池容量：以8h放电率的安时数表示其容量（标称容量）。碱性蓄电池的初充电步骤如下：注人KOH电解液（1.25），静置2小时，第一阶段：用1/4容量值（安培）充电6小时；第二阶段：用1/2容量值（安培）充电6小时然后，用8h放电率的电流放电4小时反复2-3次即可。
