船舶电力系统.docx

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船舶电力系统

第十三章船舶电力系统

船舶电力系统由船舶发电设备、船舶配电设备、船舶输电设备、船舶变电设备及船舶用电设备等组成。

发电设备有船舶主发电机、应急发电机、轴带发电机、蓄电池等；配电设备有主配电盘、应急配电盘、分派电盘、蓄电池冲放电盘等；输电设备（供电电网）是指连接电源与负载间输电电缆、电线等；变电设备有主照明变压器、应急照明变压器、厨房变压器、逆变器等；用电设备（负载）如拖动电机、电气照明、通信设备、导航设备及其它负载。

船舶电力系统的电流形式有直流和交流两种，目前普遍采纳的是交流系统，负载或用电设备的工作电源采纳交流三相或交流单相电源。

电压及频率有440伏、60赫兹及380伏50赫兹两种主流制式，220伏、60赫兹也有应用，新兴的船舶中压电力系统也在特殊船舶如电力推动船、石油工程船上开始应用。

见电力系统简图13-1，发电机等电源设备将电流经主空气断路器送至主配电盘，由主配电盘分派至各类负载设备或分派电盘（箱）。

某些负载设备经分派电盘（箱）供电，原那么上重要负载或大功率负载由主配电盘直接供电，远离主配电盘的区域负载可设立分派电盘（箱），以节省耗材、空间及人力。

船用交流220伏电源一样采纳隔间降压变压器取得，并由交流220伏配电盘分派。

应急配电盘通常由主配电盘供电，主配电盘失电时由应急发电机单独供电，设有连锁功能。

断路器通常设置在配电盘（箱）内，实现电力系统供电操纵、短路爱惜功能。

直流24伏应急充放电盘为应急蓄电池充电，当交流电网失电、蓄电池放电时为直流24伏应急负载进行电力分派。

图13-1电力系统简图

电力系统为船舶生产、船舶运营提供电力来源，为船舶平安、船员生活提供电力保障。

第一节船舶发电设备

船舶发电设备（电源）是船舶电力系统的核心，一般是将运转中的柴油机、蒸汽机、燃气轮机等机械能转化为电能，为全船用电设备提供电力。

依照《钢质海船入级与建造标准》要求，船用电源应具有主电源和应急电源两种电源。

其中主电源即主发电机提供的电源，要求单台主发电机负荷能力能够知足船舶正常航行时负载需要并留有必然余量，另外应有一台以上同型号主发电机做为备用，因此在机舱中船舶一样配置两台以上主发电机。

应急电源有应急发电机电源和小应急电源两种形式。

其中应急发电机电源由应急发电机提供，要求应急发电机机组应安装在主甲板以上，负荷能力应知足消防、救生的应急动力、应急照明、驾驶台应急设备要求。

小应急电源即24伏蓄电池电源，它是在主电源及应急电源失电情形发生时，由蓄电池放电，为24伏应急设备提供电源，如驾驶台应急设备，24伏应急照明等，还可做为机舱自动操纵装置的备用电源。

轴带发电机是主电源的一种形式，它由主机拖动。

轴带发电机技术应用日臻完善，在能源利用和治理上优势明显，目前在船舶上取得普遍应用。

岸电电源是由陆地电网提供的电源。

如船舶坞修时，修船厂电网为船舶提供的临时电力。

一、主发电机

“育鲲”轮主发电机是采纳德国西门子技术由汾西机械厂制造的三相无刷交流同步发电机。

如图13-2所示，从发电机结构上能够看出，无刷发电机是两台交流发电机共用一个转子，右边为励磁机，直流励磁绕组在定子上，中间为主发电机，励磁绕组在转子上，右边为机械通风叶片。

图13-2无刷发电机内部结构简图

发电机原动机为瓦西兰公司生产的Auxpac520W4L20型4缸发电柴油机，额定转速1000转/分，额定功率545千瓦，计有1号、2号、3号三台主发电机。

主发电机型号：

IFC6502-6SA43；

磁极对数：

6；

额定电压：

400V；

额定频率：

50HZ；

额定功率：

520KW；

额定电流：

938A；

主励磁电流：

81A；

励磁机励磁电流：

；

润滑方式：

自由端单转动轴承；

冷却方式：

自带轴流风机内冷式。

1．发电机原理

发电机由主机、励磁机及励磁装置三大部份组成。

参见发电机原理图13-3，G1：

发电机定子绕组，G2：

发电机转子绕组，G3：

励磁机转子绕组，G4：

励磁机定子绕组，V2：

旋转整流器，L1：

谐振电抗器，C：

谐振电容组，T4：

补偿电流互感器，T6：

整流变压器，A1：

可控硅电压自动调剂器（AVR）及功率组件（三相全波整流器），U：

过压爱惜模块。

图13-3发电机原理图

（1）主机

当发电机转子励磁绕组G2旋转并通以直流电流时产生旋转磁场，发电机定子绕组G1感生三相电动势，为电网提供电源。

（2）励磁机

励磁机定子绕组G4通以直流电时产生固定磁场，转子绕组G3旋转时感应出三相交变电动势，该三相交流电通过与其同轴的三相旋转整流器V2整流变成直流电，为主发电机的转子绕组提供励磁电源。

（3）励磁装置

当原动机起动后，励磁装置利用发电机剩磁电压经电抗器L1、电容器C谐振升压，整流变压器T6输出至AVR功率组件V102（参见图13-4）整流，产生直流励磁电流提供给励磁机定子绕组G4，使其磁场增强，励磁机转子绕组G3感生电流增大，经旋转整流器V2整流的发电机转子励磁绕组G2电流增大，旋转磁场增强，使发电机电压升高，如此的正反馈进程会使发电机专门快成立电压，直至发电机磁势饱和，当可控硅自动电压调剂器AVR工作时，发电机电压稳固在设定电压下。

（4）可控硅自动电压调剂器（AVR）

图13-4为可控硅自动电压调剂器（AVR）及功率组件的原理图，AVR的工作原理是通过操纵可控硅V101的导通角来改变分流电阻R101分流电流大小，使励磁电流发生改变，实现发电机电压恒定操纵。

从空载到额定负载，其稳态电压调整率为±0.5%。

AVR电压调剂器由电源单元T1电源变压器及整流元件、电压反馈单元1、滤波单元2、调剂放大单元3、脉冲单元4、过压爱惜单元五、外附电压设定调剂电位器六、全波整流电路（功率组件）V102等部份组成。

在励磁装置中，整流变压器输出交流电流经功率组件整流为直流电，它为励磁机提供励磁电流，功率组件的一个整流二极管并联一个由可控硅操纵的分流电阻R101，在没有分流时励磁电流大到使发电机在空载时电压为440V左右（磁势饱和状态）。

在电压调剂器AVR中，设定电压（电位器U）信号与电压反馈信号（由X1端输入）在比较放大环节3中产生电压调剂信号，经脉冲单元4及功率放大环节操纵可控硅开度，从而操纵分流电流大小，使励磁电流取得调剂。

当电压超过额定值时，可控硅V101开度加大，R101分流加大，功率组件V102输出励磁电流减小，发电机电压下降到额定值，反之，电压低时会使励磁电流加大，发电机电压上升到额定值，实现发电机电压稳固。

图13-4带功率组件的可控硅自动电压调剂器（AVR）

2．发电机并联运行

船舶电力系统一样有两台以上发电机做为电源，为使电力网供电持续、幸免单机运行负荷过大工况和应急航行要求，需要发电机有并联运行能力，一样选用同型号、同参数的发电机组。

（1）并车

发电机并入电网时刻（并车）需要知足必然条件（同步条件）：

待并机与电网电压差为零、频率差为零、相位差为零，这是理想状态，现在投入电网，发电机之间无电压差，就可不能在两台发电机之间产生环流，可不能对发电机组及电网造成损害。

要知足上述条件是不现实的，三相交流发电机的电压幅值、相位、频率是转变的，50赫兹的频率周期既是0.02秒，很难找到并车合闸时刻，因此，在实际应用进程中电压差、频率差、相位差在许诺范围内是容易实现的，发电机机组在设计制造标准上是知足那个要求的。

一样并车条件：

待并机与电网电压差小于10%发电机额定电压；

待并机与电网频率差小于5%发电机额定频率；

待并机与电网相位差小于15°。

“育鲲”轮发电机有手动准同步并车、半自动准同步并车及自动准同步并车三种方式。

（2）并联运行

发电机并联运行时，有功功率的分派和无功功率的分派是超级重要的，功率在并联运行的发电机之间均衡，能够使发电机承载分派合理，对柴油发电机组发挥效率延长利用寿命有着重要的意义。

①船用柴油机一样选用同型号、同参数、调速器调剂特性大体一致的柴油发电机组，因此有功功率的分派要靠原动机的转速降来分派，既是并联运行柴油机组油门的分派，利用调速器调速手柄即可调剂柴油机油门大小，达到有功功率平稳。

并联运行时，将承担功率小的发电机的油门加大，同时减小承担功率大的发电机油门，使两台发电机承担的功率趋于一致。

在调剂进程中，注意电网频率的转变，当电网频率高于额定值时应同时减小两台发电机的油门，反之，同时加大油门，这确实是手动调频调载的方式。

自动调频调载方式也在许多船上取得应用。

②无功功率分派事实上是无功电流的分派。

由于各发电机之间电势不等，在发电机之间会产生无功环流，使无功电流分派不均。

参数相同的两台发电机若是励磁电流相同，发电机电动势相等，无功电流即达到平稳状态，因此调剂励磁电流大小就能够够实现无功功率分派。

实现无功功率分派的方式有：

均压线法、虚有差法等。

“育鲲”轮发电机励磁系统中带有调差装置，工作原理如图13-5所示，调差电流互感器T4检测发电机R相电流IR，经电阻R1（参见图13-5）变换为电压信号UR1并同S—T相电压UST相迭加，因cosФ=0，Ф=90°，那个电压信号UR1的转变既是U相无功电流的转变。

图13-5调差装置原理

当无功电流增加时,即IR增加，UR1增加，与S—T相电压UST相迭加后的电压增加，AVR中反馈电压增加，使励磁电流输出下降，造成发电机电动势下降，既是S—T相上的电压下降，因此无功电流转变时调差装置才对电压调剂器起作用，即当无功电流增加时，电压下降，两台发电机并联运行时其无功功率分派差度将依托此调差装置来保证。

发电机单机运行时因无环流，因此调差装置不起作用。

调差装置调剂发电机最大压降是额定电压、额定电流、功率因数0.8时，压降为额定电压的3.6%。

3．发电机爱惜

对船用柴油发电机应设置以下爱惜功能：

（1）过载和短路爱惜

电流短路对电源和电网损害是严峻的，损失也是庞大的，关于任何电源来讲，采取短路爱惜是超级重要的。

发电机不仅要求设置电流短路爱惜设备，过载爱惜也是必要的。

船用发电机一样采纳船用自动空气断路器来实现电流短路和过载爱惜的，一样要求过载有“过载长延时”、“过载短延时”电流分段爱惜，还有短路电流瞬时爱惜。

其设定值是：

过载长延时：

发电机电流达到120~130%额定电流，延时15~30秒分断主开关；

过载短延时：

发电机电流达到250%额定电流，延时秒分断主开关；

短路：

发电机电流达到10倍额定电流，主开关瞬断。

（2）欠压爱惜

在网工作发电机可能发生低电压故障，可能的缘故是励磁装置故障使励磁失败、发电机绕组损坏、原动机故障使转速下降和电网短路等。

低电压会使电气设备工作异样，如接触器因低电压会使电磁力下降，主触头吸合不牢，线圈电流上升发烧损坏，某些工况电机电流会急剧上升致使发电机过电流，因此设置对发电机的欠压爱惜是必要的。

船用空气断路器通常装有失压脱扣器，欠压动作值可调剂，可安装在发电机操纵屏上的失压脱扣继电器也可实现欠压爱惜功能，其动作值可调剂，延不时刻也可调剂。

（3）逆功率爱惜

并联运行的发电机应平均分担电网有功功率，现在发电机发出正功率，当某台发电机功率为负值（功率表指示零以下）时，既是逆功率。

发生逆功率时，发电机由发电状态变成电动状态，从电网吸收功率，电磁转矩反向，由阻力矩变成驱动力矩，使原动机转速有上升趋势，较大的逆功率会对原动机及发电机造成损害，同时在网发电机负荷上升（多承担逆功负荷），直至过载跳闸，电网失电。

造成逆功率现象的缘故有：

手动并车操作时待并机转速较低使频率低于电网频率，现在合闸待并机功率小于零，应尽量幸免。

一旦发生此情形应使待并机加速，使其发出正功率；某台在网机组原动机故障减速会发生逆功率；甲板电动起货机高速落货再生制动时，大量电能回馈电网，使发电机发生逆功率。

逆功率爱惜采纳安装在发电机操纵屏上的逆功率继电器来实现，可能是机械式也有电子式的，“育鲲”轮采纳数字处置式的发电机操纵器（PPU）。

逆功率爱惜动作设定值有必然范围：

逆功率动作值：

负功率值为8~15%发电机额定功率；

逆功率动作延时：

3~10秒。

逆功率动作值是有范围的，不是逆功率一发生就必需分断主开关，那样会阻碍供电持续性，有时是许诺逆功率短时发生的，例如：

起货机再生制动时的能量回馈关于制动是有利的，发电机现在应吸收该能量，而发电机组在设计制造上也要求具有经受必然量的逆功能力。

逆功率动作值是反时限的，即逆功值越大，延不时刻越短。

当负功率达到设定值并超过延不时刻，检测单元发出信号使发电机断路器分断，从电网分离，假设恢复发电机并网需对逆功率爱惜装置复位。

4．发电机保护保养

精心的保护保养与检修发电机是超级重要的，这能够及时发觉与排除故障，避免造成更大损失，有助于延长发电机的利用寿命，减少停机损失，提多发电机的靠得住性和利用率。

在进行保护保养与检修发电机之前，要确认原动机处于完全关断状态，尤其是有自动起动操纵功能的发电机。

发电机与外部电源应确保断开，不然会危及人身平安。

（1）一样检查

每年（一样检查周期）进行一次下述项目的检查：

机组运行平稳性无异样；

转子校准应在公差之内；

机座无异样；

机械装配螺栓无松动，失效螺栓应及时换新；

电气连接端子无松动；

绕组绝缘良好；

绕组、导线、绝缘器件良好无污染.

除此之外，对发电机通风滤网应及时清洁或换新。

（2）发电机绕组保护保养

绕组绝缘性能即发电机绕组导电体之间及导电体与机壳之间绝缘电阻的大小，那个电阻值小既是导电性好，严峻时会造成绕组短路而损坏发电机。

不同额定电压发电机的绝缘电阻极限值见电机冷态绝缘测量参考表13-1，也可供一样电动机极限绝缘值参照。

表13-1发电机冷态绝缘测量参考值

绕组温度25℃

举例

发电机额定电压极限值

额定电压＜2KV

额定电压＞2KV

400V

测量用MΩ表电压

DC100~500V

DC500V~1000V

DC500V

新绕组（包括重绕绕组）最低绝缘阻值

10MΩ

100MΩ

10MΩ

长期运行绕组的比绝缘阻值（临界阻值）

0.5MΩ/KV

5MΩ/KV

0.4*0.5MΩ/KV=

0.2MΩ

测量绕组绝缘电阻一样用500V直流MΩ表（俗名摇表），由于大多数发电机定子绕组采纳星型接法，因此相与相间之间即绕组之间绝缘电阻很难测出，一样只测出相对地（机壳）的绝缘电阻值。

冷态下（绕组温度25℃），新的（或重绕的）、干燥的绕组绝缘阻值一样大于100MΩ。

绕组绝缘阻值大小在专门大程度上与绕组温度、受潮、尘埃有关，绝缘很高的绕组温度每升高50度绝缘阻值就降低到原先的三十分之一。

在发电机运行期间，由于环境等运行条件转变会使绕组绝缘阻值下降，若是在绕组25℃左右时测得阻值大于计算出的临界阻值，发电机是能够运行的，低于计算出的临界阻值时继续运行会相当危险，现在应停止发电机继续运转，将绕组用电气清洗剂清洗掉盐分、油泥、尘埃等，然后烘干（加热温度不高于70℃）去除潮气，再检查测量绕组绝缘，现在绝缘阻值会取得提升，能够恢复发电机工作，若是绝缘性能没有恢复，现在发电机应进厂解体，从头浸漆或绕组重绕。

在发电机停止利历时刻（一个月以上）太长时，恢复利用前应付绕组对地绝缘进行测量，测量进程中，显示的阻值会不稳固，现在不该停止测量，直至得出最终稳固数值。

一样电气设备绝缘检查周期为三个月，体会上发电机绕组绝缘值低于1MΩ时，就应采取提高绝缘方法，也应相应减小检查周期。

发电机内一样配装有烘潮加热器，维持加热器完好可用是超级重要的。

加热器能够手动开关也能够是自动的，在自动状态，发电机停止运转时会开始加热直至发电机起动运转。

（3）转动轴承的保护保养

补充润滑油周期与润滑油选择参照发电机润滑说明；

禁止混合利用不同牌号润滑油；

换新轴承时应参照发电机操作说明书；

加注润滑油的工具是专用注油枪，加注时应旋转发电机轴（盘车），使油脂散布均匀，发电机运转后轴承温度会有所上升是正常现象，待油脂粘度正常后，过量的油脂会溢出，温度会恢复正常。

废油脂集聚集在轴承外盖中，检修时应将其清除。

5．发电机治理及电气故障检修

（1）电压设定

“育鲲”轮发电机额定电压设定在400V，这是考虑供电额定电压380V负载时电网压降损耗需要。

一样在发电机操纵屏内装有外附整定电位器（见图13-3中R1），改变该阻值会微调发电机设定电压，它的调剂范围在±5%Un左右。

调剂方式是：

发电机空载，调剂电位器使发电机线电压为400V，然后锁紧电位器锁紧螺母，用相同方式将其它发电机电压调至400V。

为幸免误差应利用同一数字万用表，测量点应选择发电机屏上电压指示表接线端子。

非专业人员严禁在发电机负载或并联运行时调剂该电位器。

（2）充磁

发电机组起动后，当转速达到必然值时，发电机遇快速起压、冲高并回落至设定值。

当发电机组起动达到额定转速后无电压，数字万用表检查电压为零，可疑心发电机励磁绕组剩磁丢失，尤其是一段时刻停用的发电机，环境又潮湿。

充磁方式是：

参看发电机原理接线图，将24V蓄电池电源负极接至励磁绕组接线端子负极，蓄电池电源正极引线点触励磁绕组接线端子正极一至两次，切勿长时刻接通，确保极性正确。

（3）应急运行

由“育鲲”轮发电机原理能够看出，该类型发电机在电压调剂器AVR故障时，励磁装置仍可提供励磁电流，现在发电机空载电压会高于额定值几十伏，由于发电机固有外特性曲线是下倾的，即随着负载电流增加发电机电压会下降，当发电机输出额定电流时，电压大体降至额定电压值周围，因此在AVR故障不能自动稳固电压时，应可应急利用。

由于发电机间电压有差会使发电机产生无功环流流，因此不能并联运行。

（4）电气故障检修

表13-2给出了该类型发电机发生电气故障现象、可能的缘故及相应方法。

一样来讲，发电机发生无电压或电压很低（低于40V）故障时，可能缘故是励磁回路开路或无剩磁；发电机电压在430V左右时，而且设定电位器调剂无效，应该疑心电压调剂器故障，有时是器件损坏，或是线路开路缘故；电压低于额定值且调剂无效，可能是旋转整流器故障或电压调剂器故障；电压表现为波动或振荡时，是稳固性调剂不适合；并联运行时无功电流分派不均的缘故可能是电流反馈单元故障。

另外原动机转速异样也会引发发电机电压异样。

表13-2电气故障及排除参考表

故障

可能的原因

排除方法

发电机电压

发电机电压Un

发电机电Un

整定电位器调节无效

外附整定电位器不起作用

电压和电流振荡

并联运行时无功分配不均匀

●

驱动转速

太高

检查原动机的调速器

●

太低

●

转速振荡

●

旋转整流器出故障

断开二极管的连接线检查二极管的正反向阻值，更换二极管

●

励磁回路开路

检查接插件X2（仅在发电机静止时断开X2），检查接线端子排X7，检查整流器和电抗器的插头连接情况

●

励磁机剩磁不足

经隔离二极管，将F1（+）和F2（-）与直流电源（6至24V）短时间接通，充磁

●

主机或励磁机的绕组有匝间短路或开路（转子或定子或励磁装置绕组质量差）

检查冷态时发电机绕组的电阻

●

●

电压调节器出故障

调节级

更换电压调节器或应急运行

●

●

功率级

●

调节器输入端实测值被中断

检查连接插件X1,检查端子V、W与接插件X1间的连接情况

●

整定电位器回路内的故障

印刷线路板上的开关S1/3“①接通”/“②断开”

①断开调节器开关S1/3

●

②在运行期间当不用外附电压调节器时开关S1/3合上

●

●

引出线中有短路

排出外附整定电位器连接引线中存在的短路故障

●

引出线中有开路

将外附整定电位器引线进行连接

●

电压调节器上的电位器整定位置不对

调节调压器上的电位器K、T，使与检验证书注明的位置相一致，或调节电位器K和T,使调压器与电站要求相符

●

调差电位器的整定位置不对

对带有有调差装置的发电机按实验合格证书上记录的刻度位置，调节调差电位器S

●

调差互感器与电压调节器之间的引线有开路或短路

排除短路或开路故障，在有开路故障的情况下检查电流互感器和插接件X2（电流互感器空载〕

●

调节器印刷线路板上的开关S1/1或S1/2被断开

合上调节器印刷线路板上的开关S1/1或S1/2（置于“ON”位置）

●

分流回路电阻R101整定位置不对

增加R101的阻值

二、轴带发电机

“育鲲”轮主机轴带发电机是主机厂配套提供的LeroySomer主机轴带发电机，其要紧参数有：

额定功率：

650kW；

额定转速：

1500r/m；

额定电流：

1173A；

电制：

AC/3φ/400V/50Hz。

由于主机转速170r/m，因此设有增速驱动齿轮箱，以知足轴带发电机转速要求。

轴带发电机原理如图13-6所示。

从原理图能够看出，该发电机一样是无刷励磁发电机，发电机由励磁机、励磁装置、发电机三部份组成。

励磁装置是由辅绕组及R449型发电机自动电压调剂器组成，其工作原理与西门子无刷发电机相类似。

图13-6轴带发电机原理图

该发电机无恒频调剂功能，因此发电机频率会随原动机转速波动而波动。

由于主机功率相对主发电机原动机功率较大，主机尽管是定转速但存在必然的转速波动，因此该轴带发电机不能与主发电机长期并联运行。

轴带发电机与主发电机可实现不断电转换（同步并车），在主机转速波动不大时进行如下操作：

轴带发电机全船供电：

—电站治理模式转手动；

—确认一台主发电机在网；

—轴带发电机投入励磁；

—合轴带发电机断路器；

—确认首侧推断路器分断；

—手动或半自动选择母联断路器同步；

—并车成功，选择主发电机负荷转移，直至解列；

—轴带发电机全船供电。

轴带发电机退出全船供电：

—电站治理模式转手动；

—起动第一备用主发电机；

—手动或半自动选择主发电机同步；

—并车成功，选择轴带发电机负荷转移，直至解列；

—手动断开母联断路器：

—轴带发电机退出全船供电。

第二节船舶配电装置

船舶配电装置是电力系统中关键设备，它的任务是依照用电设备（即负载）的性质将发电机发出的电能按必然的供电方式分派给用电设备。

通常说的“主配电盘”既是配电装置中的要紧设备，还有应急配电盘、分派电箱、集中操纵屏、组合启动屏、充放电盘、岸电箱等不同用途的配电装置。

配电装置实现的要紧功能有：

—接收并操纵发电机发出的电能；

—对负载进行电力操纵及分派；

—电机起动、停止的手动及自动操纵；

—对发电机及负载实现爱惜功能；

—测量电气参数功能；

—电气参数调整功能；

—功能显示及故障报警；

—电站自动化治理。

一、主配电盘

主配电盘是电力系统要紧操纵设备。

如图13-7主配电盘单线图所示，“育鲲”轮主配电盘由3个主发电机屏、1个轴带发电机屏、1个同步并车操纵屏、1个首侧推及岸电操纵屏、4个AC380V负载电源操纵屏、4个组合负载起动操纵屏、2个AC220V负载电源操纵屏（计16屏）组成。

图中：

1A、1B线路合称为1号母线（也称汇流排，由必然规格的导流铜板制成），1号、2号主发电机的电