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船舶电力系统及发展概述

已有 1097 次阅读 2019-10-16 16:32 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 船舶, 电力系统, 电站, 船电技术, 电力设备

船舶电力系统及发展概述

伍赛特

 

1 船舶电力系统的工作特点

由于船舶负载的特点与陆地不同,使得船舶电力系统在电站容量、电压等级、发电、配电装置等部分与陆上电力系统相比有很大差异,主要体现在以下几个方面。

 

1.1 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,而船舶发电机单机容量较小,一般不超过1 000 kW

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,所以当这样的负载启动时对电网将造成很大的冲击(电压、频率跌落均很大),因而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,陆上发电机只有能承受较大的过载能力。另外,由于船舶工况变动比较频繁,因此对自动控制装置的可靠性提出了较高的要求。

 

1.2 船舶电网输电线路短

船舶电网与陆上数千千米的高压输电网络相比,船舶发电机端电压、电网电压、负荷电压是同一个电压等级,所以输配电装置较陆上系统简单。

由于船舶容积的限制,电气设备比较集中,电网长度不大,所以对发电机和电网的保护比陆上系统简单,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。

 

1.3 船舶电气设备工作环境恶劣

船舶电气设备工作环境比陆地恶劣得多,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,会造成电机力矩不足,绝缘加速老化。相对湿度高则会使电气设备绝缘受潮、膨胀、分层及变形等,使绝缘性能降低,并且使金属部件加速腐蚀,镀层剥落。盐雾的存在、霉菌的生长和油雾及灰尘黏结都能使电气设备绝缘下降、工作性能受到影响。当船舶受到严重的冲击和振动时,也会造成电气设备损坏、接触不良或误动作。

由此可见,船舶电气设备必须满足“船用条件”的要求。

 

2 船舶电力系统的类型

对于不同用途、不同吨位的船舶.系统的发电机组和主配电板称为电站。关系,可划分为以下几种类型。其电力系统有很大的差异。

 

2.1 交直流混合电力系统

交直流混合电力系统是一种交流发电机组和直流蓄电池组混合构成的电力系统,主要用于潜艇等特种船舶。它可以在蓄电池中储存电能,有较高的供电可靠性。根据船舶主要用电设备是交流还是直流,又可分为交流供电系统和直流供电系统。

 

2.2 交流电力推进联合电力系统

电力推进的船舶,如工程船等常采用推进和供电联合起来的电力系统,这样的电力系统具有更大的经济性和机动性。

 

2.3 直流电力推进联合电力系统

直流电力推进联合电力系统是早期应用较多的一种柴油机直接驱动的船舶电力系统,它既可由蓄电池组供电,也可由推进发电机供电。

 

2.4 单主电站电力系统

单主电站电力系统除了配备主电站,保证船舶正常运行工况下各种用电设备的供电外,还设置停泊电站或应急电站,用来保证船舶处于低负荷、应急或其他特殊工况下部分电气设备的供电。单主电站电力系统中常设置两台以上的发电机组,以便在检修或一台发电机组发生故障时交替使用。这种系统常用于各种民用船舶。

每台机组通过电缆、自动空气开关和主配电板汇流排(即公共母线)相连接。两台机组同时供电时,发电机并联运行在共同的汇流排上。这种运行方式不但简化了供电网络,提高了电站备用容量的备用程度,还可以减小由于大负荷的急剧变化(例如启动大电动机时)所引起的电网电压波动。

主配电板汇流排是采用分段汇流排式的连接方式,即通过隔离开关把汇流排分为两段或几段。它比单汇流排式的连接方式仅多了一只或几只自动开关,但却具有一系列的优点。例如,同时工作的发电机可以单独运行,也可以并联运行;当汇流排的一段发生故障时,断开汇流排的分段隔离开关,就可通过另一台机组使未发生故障的一段汇流排仍可正常供电;当某段馈线发生短路故障时,由于分段隔离开关的迅速跳开,切断了另一段汇流排上供给的短路电流,因而馈线上的短路电流就相应减少。

在单主电站电力系统中,正常情况下是由主发电机供电给主配电板汇流排和应急配电板汇流排。在主发电机发生故障停止供电时,应急发电机可手动或自动启动投入工作,并通过联锁装置将连接主配电板和应急电板的联络开关断开,既可防止应急发电机向主配电板供电而造成过载,也可避免当主发电机组恢复供电时出现两者同时向应急配电板供电的现象而发生事故。当船舶停靠码头时,可利用陆上的电网供电。岸电一般均接到应急配电板上,然后通过联络开关再送至主配电板。

 

2.5 多主电站电力系统

多主电站电力系统系指船舶上设有两个以上主电站的电力系统,这些电站分散布置在船舶比较安全的位置,保证电力系统具有较高的供电可靠性和生命力。这种系统常用于战斗舰艇、核动力船或其他对供电可靠性有较高要求的船舶上。如大型的航空母舰上有的甚至设置8个电站。

除了以上几种电力系统外,还有一种利用主机余能发电的发电系统。这是近年来发展起来的一种节能电力系统。它除了有通常的柴油机发电机组外,还配备有利用主机余能发电的轴带发电机或利用主机排出废气涡轮发电机。当主机持续工作时,主要依靠节能发电机组提供全船所需的用电,十分经济,应用也日趋广泛。新的电力系统形式还在不断涌现,可见船舶电力系统的内容是十分丰富的。

 

3 船舶电力系统的发展

随着船舶吨位的增大和电气化程度的提高及科学技术的发展,船舶电力系统亦有显著的进步和变化。无论是军用舰艇还是民用船舶的电站,容量逐年增大;电力系统的设备性能和供电指标有很大的提高;电力系统中广泛采用各种新技术,使系统实现集中控制和自动化。船舶电力系统的发展标志是自动化水平和集中控制程度。

随着船电技术的发展,船舶电力设备日趋完善。工业部门不仅能为船舶提供完善的发电机组系列、性能优良的各种容量的自动开关和监视保护设备,而且船电设备的功能也有显著的提高:发电机的快速调压调频设备提高了电力系统的静态和动态性能指标,同时也加强了系统承受各种突然负载的能力。近年来,船舶上出现了大功率、高电压的高参数电力系统。虽然目前这种系统还限于在大型船、工程船等特种船舶使用,但电力系统高参数在船舶上的应用是技术上的一种突破,它为未来船舶电力系统的发展开辟了道路。科学技术的发展也逐步改变了船舶电力系统的面貌。近年来电力系统控制线路的电子化程度有很大的提高,半导体和集成电路普遍代替了电磁、机械、液压等控制部件,出现了电子固态保护装置、电子调速器等性能更优越的新型部件。大功率半导体技术促使电能变换设备趋向静止型化,从而提高了系统运行的性能,减少了电力设备的体积和重量。电子计算机技术的推广应用,又出现了微机控制和管理的电站,它对发挥船舶电站的功能、应对船舶多工况的变化,有很大的促进作用。

电力系统的自动化是船舶自动化的一个组成部分,这也是船舶现代化的一个重要标志。自动化技术的广泛应用充分发挥了电力设备的潜在功能,并使船员的操作量大大下降,船员的数量电相应减少。自动化程度高的船舶实现了无人机舱,大大改善了船员的工作条件。电力系统自动化程度的提高不仅使电气设备管理维修人员不断减少,而且可以实现系统的最佳运行方式,提高设备运行的效率、经济性和安全性。

 

参考文献

[1] 伍赛特.燃料电池应用于船舶动力装置的可行性及展望[J].内燃机与动力装置,2018,35(04):87-90+94.

[2] 伍赛特.船舶电力推进系统的技术特点及发展趋势研究[J].机电信息,2019(15):159-160.

[3] 吴志良. 船舶电站及其自动化系统[M]. 大连:大连海事大学出版社, 2010.01.

 




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