第六章船舶电力系统§6—1船舶电力系统概述一、船舶电力系统的组成

第六章 船舶电力系统

§6—1 船舶电力系统概述

一、 船舶电力系统的组成及特点

1．船舶电力系统的组成

船舶电力系统是由电源装置、配电装置、电力网和负载组成并按照一定方式连接的整体，是船上电能产生、传输、分配和消耗等全部装置和网络的总称。其结构简图如图6—1所示。

图6—1典型船舶系统简图

1）电源装置。将机械能、化学能等能源转变为电能的装置。船舶电源主要是指发电机和蓄电池。

2）配电装置。对电源和用电设备进行保护、监测、分配、转换、控制的装置。

3）船舶电力网。是全船电缆电线的总称，也是电能的生产者(各种电源)和电能的消耗者(各类用电设备)的中间传递环节。船舶电力网根据其所连接的负载性质和类别可以分为动力电网、照明电网、应急电网、低压电网和弱电电网等。

4）负载。即用电设备。船舶负载有：甲板机械、船舶舵机、动力装置用辅机(为主机和主锅炉等服务的辅机，如主机滑油泵、海水冷却泵、淡水冷却泵和鼓风机等)、舱室辅机(生活水泵、消防泵、舱底泵以及为辅锅炉服务的辅机等)、电力推进设备(主电力推进装置、首尾侧推装置等)、机修机械(车床、钻床、电焊机等)、冷藏通风(冷藏集装箱、空调装置、伙食冷库和通风机等)、照明设备、船舶通信导航设备(无线电通信设备、导航和船内通信设备)等。

2．船舶电力系统的特点

根据船用负载的特点，船舶电力系统的电站容量、连接方式、电压等级、配电装置等与陆上电力系统有着很大的差别。从驱动发电机的原动机形式分类，船舶发电机组有柴油发电机组、蒸汽发电机组、汽轮发电机组、轴带发电机组等。

船舶电站单机容量一般不超过l 000kW，装机总功率不超过5 000 kW(电力推进船和特 种船除外)，相比陆上要小得多。船舶电力系统大多采用多台同容量同类型的发电机组联合供配电的方式，以方便管理维护。正常航行时仅有1台或2台发电机向电网供电，但是要求船舶发电机组有较高品质的调速和调压装置来满足负载变化、在突发局部故障时也能保障船舶安全运行。船舶电网的输电距离短，线路阻抗低，各处短路电流大。短路电流所产生的电磁机械应力和热效应易使开关、汇流排等设备遭受损伤和破坏。因此，船舶输电电缆采用沿舱壁或舱 顶走线，电缆的分支和转接均在配电板(箱)或专设的分线盒内完成，不允许外部有连接点。

二、 船舶电力系统的基本参数

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。

1．电流种类(电制)早期船舶采用直流电制，主要基于直流发电机调压容易、直流配电装置简洁、直流电动机调速平滑等优点。但直流电制在可靠性、经济性、可维修性方面的缺陷甚多，而电力电子技术的发展突破了交流电力系统的调压、调频、并联运行等一系列难点，使交流电制占据了主要地位。除了采用直流电力系统或交直流混合电力系统的特殊工程船舶外，几乎所有大中型船舶均采用交流电力系统。

2．额定电压等级

船舶电力系统额定电压等级的选用直接关系到电力系统中所有电气设备的重量和尺寸， 提高电压利于减少导线中的电流、提高设备功率、减小舱容，利于提高经济性，随之对电气设备的绝缘和安全方面的要求也更高。世界各国对电压等级的选用与本国陆上电制参数一致，使船舶电气设备具有通用性。例如美国和日本采用450V、60Hz的电制，而我国和前苏联等均采用400V、50Hz的电制。随着船舶发展大型化，目前采用电力推进的商船、滚装船和一些工程船舶电站的容量都比较大(高达几万千瓦)，出现了6 kV、3．3 kV以上中压等级的船舶电站。

我国用电设备的额定电压有24V、110V、220V、380V、1kV、3kV、6kV、10kV等。根据电源电压的额定值比同级电力系统用电设备的额定电压高5％左右的原则，发电机的额定电压为115V、230V、400V、1.05kV、3.15 kV、6.3kV、10.5kV等。我国(钢质海船入级与建造规范》规定：非电力推进船舶的限制电压为500V，动力负载、具有固定敷设电缆的电热装置等的额定电压为380V，照明、生活居室的电热器限制电压为250V，额定电压为220V。

3．额定频率

交流船舶电力系统的额定频率一般沿用各国陆地上的频率标准，我国采用50 Hz，西欧、美国采用60Hz。这里不包括弱电设备所需的特殊频率以及海上平台等特殊设备的电源频率。

三、 发电机容量及台数确定的原则

船舶电站容量和发电机组数量是从满足船舶用电的需求，并保证船舶的安全性和经济性

而确定的。船舶电站容量既不等于全船所有用电设备的标称电功率的总和，也不等于船舶某

一运行工况下所用全部用电设备标称电功率的总和。因为船舶在不同运行工况下投入运行的

用电设备不同，用电量也不同；即便在同一运行工况下各用电设备的运行时间长短不同，负荷变化的情况也不同；每一用电设备实际所需的电功率大多小于其标称电功率。电站发电机组数量的选择和单机容量的确定既与电站容量有关，也与各工况的用电量大小和相对运行周期的长短有关。

1．船舶的运行工况

船舶营运中有航行工况(货船的全速满载航行时间约占船舶运行周期的41％，油船占

64％)、进出港工况(船舶进出港低速航行、靠离码头等机动时间约占运行周期的1％)、装卸货工况(货船装卸所载货物期间约占运行周期的18％，油船占7％)、停泊工况(货船的无装卸作业停泊时间约占运行周期的40％，油船占28％)、应急工况(发生进水、火灾等海损引起主发电机失效而启用应急发电机的工况)。

2．确定电站容量的基本原则

电站容量应能满足船舶在各种运行工况下的用电量，并有适当的裕量，确保连续可靠的供电。但从经济性考虑，冗余功率又不能太大。

3．发电机组容量和数量的选择原则

发电机组的总容量决定于电站的总容量，确定发电机组的单机容量和机组数量的基本原

则是：单机组容量以最高负荷率为80％来确定为宜；船舶电站必须有备用机组，其容量要能满足船舶各运行工况的用电需求；确定单机组容量和机组数量时，要考虑各机组的使用寿命应与主机寿命相当，维修管理方便。

若以高效率经济运行为原则，针对电站容量和各工况的用电量及其相对运行周期等具体

情况，可选择小功率多机组，或大功率少机组，或不同功率的机组。一般船舶电站设置2至3台(包括备用机组)同型号、同容量的机组，最多为4台。有些船舶在无作业停泊期间用电量少，常设1台小容量的系泊发电机。船舶电站的实际容量综合考虑了船舶电动机的利用系数、负荷系数、同时性系数等因素。

四、 应急发电机容量的确定

1．目的和原则

一般规范都规定客船和500总吨以上的货船应设有独立的应急电源。它可以是发电机，也可以是蓄电池组。作为应急电源使用的发电机称为应急发电机。

应急发电机应该具有独立的冷却装置和燃油供给单元，并设有满足规则要求的起动装置。当船舶发生火灾或其他灾害引起主电源供电失效时它应能自动起动和自动连接于应急配电板，尽快地承载额定负载，最长时间不得超过45s。应急发电机的容量应确保海上人命安全公约(SOLAS)和主管机关有关规定的供电范围和供电时间，并应考虑到这些用电设备可能同时工作。

2．容量确定

不同种类、吨位的船舶，其应急发电机供电的电气设备范围也略有不同。确定应急发电机的容量通常基于下述设备所需的电功率，即：航行灯、信号灯、应急照明设备、应急报警和信号装置、火灾探测和报警装置及防火门的固定和释放系统；在紧急状态下所需要的船内通信设备、应急消防泵、自动喷水泵、应急舱底泵及其电动遥控设备、应急时使用的舵机、动力操作水密门及其指示器、报警器，以及其他需要应急发电机供电的用电设备，如船员或船员提升至甲板上以便逃脱的电梯应急装置、应急用无线电设备和导航设备等。

一般应急发电机需对舵机之类较大的电动机负载供电，在确定其容量时，应考虑到最大电动机起动时瞬态电压降的影响。

§6—2 船舶配电装置

配电装置是接收和分配电能，并对电网实现保护的设备。有些配电装置(例如主配电板、

应急配电板和蓄电池充放电板等)还具有对电源装置、用电设备进行测量、保护和控制的功能。

一、 配电装置分类

船用配电装置种类很多，如面向主发电机的控制和监测的主配电板，面向应急发电机控制和监测的应急配电板，面向蓄电池组控制和监测的蓄电池充放电板。此外还有区域分配电板、岸电箱和交流配电板等。

二、主配电板的构成及功能

船舶主配电板是船舶电力系统的中枢，担负着对主发电机和用电设备的控制、保护、监测和配电等多种功能。一般由发电机控制屏、并车屏、负载屏和连接母线四部分组成。

1．发电机控制屏。包含有发电机主开关及操纵器件、指示灯和仪表、发电机励磁控制和保护环节等。每台发电机组均配有单独的控制屏，用于控制、调节、保护、监测发电机。控制屏面板大体分上、中、下三部分，上部装有电压表、电流表及转换开关、频率表、功率表、功率因数表以及原动机的调速开关和按钮等；中部安装有发电机主开关；下部一般安装有发电机励磁控制装置，控制屏内还装有逆功率继电器和仪用互感器等。

2．并车屏。包含有同步表、同步指示灯、投切顺序选择和转换开关、操纵按钮及状态显示指示灯等。有的还设有汇流排分段隔离开关、粗同步并车电抗器、自动并车装置等。并车屏用于交流发电机组的并联运行、解列等操作。

3．负载屏。包括动力负载屏和照明负载屏，通常安装有装置式自动空气开关、电压表、电流表及转换开关、绝缘指示灯、兆欧表以及与岸电箱相连的岸电开关。它们是用于分配电能并完成对各馈电线路进行控制、监视和保护等。各用电设备或分电箱的电能通过装置空气开关供给。有些动力负载屏上还装有重要泵的组合起动装置。

4．汇流排。配电板上主汇流排及连接部件是铜质的，连接处作了防腐或防氧化处理。汇流排能承受短路时的机械冲击力，其最大允许温升为45℃。

交流汇流排按从上到下(垂直排列)、从左到右、从前到后(水平布置)的顺序依次为A相、

B相、C相。汇流排的颜色依次为绿色、黄色、褐色或紫色，中线为浅蓝色(若有接地线则接地线为黄绿相间颜色)。直流汇流排按从上到下(垂直排列)、从左到右、从前到后(水平布置)的顺序依次为正极、中线、负极。其正极颜色为红色，负极为蓝色，中线为绿色和黄色相间色。

三、分配电板

分配电板是由过载保护电器组成的集合体，对额定电流不超过16A的电气设备进行供电的开关板，也称为分电箱，主要有动力分配电板和照明分配电板两种。

区域分配电板由主配电板或应急配电板馈电，是对耗电大于16A的电气设备进行供电的开关板。

四、应急配电板

应急配电板用于应急发电机的控制和监视，并向应急用电设备供电。它与应急发电机组安装在同一舱室内，一般位于艇甲板上。应急配电板由应急发电机控制屏和应急配电屏组成，其上面安装的仪器仪表与主配电板基本相同。应急发电机总是单机运行，所以不需要并车屏、逆功率继电器和同步表。

应急电网平时可由主配电板供电，惟当主发电机发生故障或检修时才由应急发电机组供电。主配电板连通应急配电板有供电联络开关，它与应急配电板的主开关之间设有电气连锁，以保证主发电机向电网供电(即主网不失电)时，应急发电机组不工作。一旦主发电机开关跳闸，经应急发电机组的自动起动装置确认后，自动起动应急发电机组，并合闸向应急电网

供电。平时需要检查和试验应急发电机组时，可把应急发电机工作方式选择开关置于试验位

置，使应急发电机脱离电网。有些采用自动管理的应急电站，只有在应急发电机工作后应急电网才允许转换为由应急发电机供电，以免与主电网发生冲击。

五、 充放电板

船舶小应急照明、操纵仪器和无线电设备的电源均采用蓄电池，船舶设置充放电板对蓄电池进行充电、放电，实现向用电设备正常供电。常用充放电板的接线原理如图6—2所示，主要由两个部分组成。

1．电源部分

目前采用交流电的船舶大都采用整流装置把交流电变为直流电。图中SA1为整流电源

开关，SA2为整流后的电源开关，电源回路中设置有熔断器、电压表和电流表。新造交流电制船舶已采用晶闸管整流器，组成三相或单相可控整流装置。

2．充放电回路

在每一个充电回路应设有防止逆流的逆电流继电器或二极管，图6—2中，因电源是硅整流器，本身有防止逆流作用，故充电回路不再设置逆电流继电器。当主、应急电网都失电时，接触器KMl线圈失电，常闭触头闭合，直接向小应急用电设备供电，其余用电设备分别利用开关送电。

图6—2 用整流器充电的充放电板原理图

六、蓄电池

1．蓄电池在船舶上的应用

蓄电池是任何类型的机动船舶都无法离开的可靠电源设备，其用途之一是作为应急电源

或备用电源，一般商船都把蓄电池作为船舶小应急电源，在船舶主电网失电而应急发电机组尚未正常供电的时间内，蓄电池组则供电给小应急 负载；用途之二是作为低压设备的电源(如供电给无线电收发报机、自动电话交换机和各种警报器)。此外，蓄电池也用作应急发电机组和救生艇上柴油机的起动电源，以及罗经的直流电源等。

2．船用蓄电池的类别

船用蓄电池有酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类。酸性蓄电池也称为铅酸蓄电池，船用历史最久，常用于柴油机的起动和应急照明。碱性蓄电池包括镉—镍蓄电池、铁—镍蓄电池、锌—银蓄电池和镉—银蓄电池等，主要用于无线电通信设备。但价格较高，民用船舶较少采用。

3．蓄电池的主要性能

蓄电池的主要性能指标包括开路电压、工作、电压、电池容量、使用温度、寿命和储存期等。酸性蓄电池中每个小电池的电动势为2.0—2.1V。放电时，电压逐渐下降，到达某一电压(称放电终止电压)时，则急剧下降，当低至放电终止电压时不再放电。10h放电率的每个小电池放电终止电压为1.8 V。充电时，电压变化在2.05—2.8V范围，充电终期电压每个小电池为2.5—2.8 V。充电设备的电压应考虑能调节到每个小电池2.8V

的数值。

碱性蓄电池中每个小电池的电动势为1.3 V左右，在额定放电率时平均放电电压为

1.2V。根据不同结构形式，充放电特性是不同的。

4．蓄电池的结构及工作原理

1）酸性蓄电池

酸性蓄电池的结构如图6—3所示，主要由容器、极板和隔板三部分组成。

盛装电解液和支撑极板的容器，具有防止酸液泄漏、耐腐蚀和坚固等特性。铅酸蓄电池容器有玻璃槽、铅衬槽、塑料槽、硬橡胶槽等，船上多数使用后两种。

船用酸性电池的极板常采用铅锑合金制成栅格式，栅格中压人活性物质，正极的活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极的活性物质是海绵状纯铅(Pb)。为增加容量，蓄电池的正极板和负极板制成许多片，分别并联在一起接成两组，构成蓄电池的正负极。隔板用橡胶、塑料或木板等绝缘材料制成。为保证电解液的自由流通，同时又不致使极板脱落的活性物质经隔板与相邻隔板相通，隔板上开有大小适中的孔。

酸性蓄电池的电解液的质量分数为27％一37％的稀疏酸溶液，相对密度为1.28—1.31。

酸性电池是利用铅、二氧化铅和硫酸的化学反应来储存电能和释放电能的，其工作原理由下面的化学反应方程式表示：

PbO2+2H2SO4+Pb=PbSO4+2H2O+PbSO4

(正极) (电解液) (正极)(电解液)(负极)

图6—3酸性蓄电池的结构图

当蓄电池的正负极板插入硫酸溶液时，极板之间将产生2V左右的电动势，一旦外电路接通则形成放电电流，同时在电池内部正负极板与硫酸发生化学反应，逐渐变成硫酸铅，当正、负极板都变成同样的硫酸铅后，蓄电池便不能再放电了，必须通过充电来恢复成原来的PbO2和Pb。显然蓄电池的充电和放电是可逆的。

由式(6—1)可知，充电时电解液稀硫酸的相对密度会增加；放电时由于生成水，相对密度降低。实际工程中采用比重计来测量电解液的相对密度，从而估计出蓄电池电动势的大小。酸性蓄电池的电动势，主要与电解液相对密度d有关。相对密度高，电动势也高，E与d之间的关系可由经验公式来表示，即

E=0.84+d (6—1)

如在蓄电池充电完毕将外电路断开后，测得的相对密度为1.28时，则根据上式可估算出其电动势为2.12V。

2）碱性蓄电池

碱性蓄电池具有体积小、机械强度高、工作电压平稳、能大电流放电、使用寿命较长和易于携带等特点，近年来在远洋船上的应用增多。缺点是碱性蓄电池比酸性蓄电池的额定电压低，提供相同的供电电压，碱性蓄电池通常在数量上要比酸性蓄电池多出67％，成本较高。碱性蓄电池可分为镉—镍(Cd—Ni)、铁—镍(Fe—Ni)、锌—银(Zn—Ag)、镉—银(Cd—Ag)等系列。船舶主要采用镉—镍、铁—镍蓄电池，下面以镉—镍碱性蓄电池为例作介绍。

碱性蓄电池主要由容器、极板和活性物质构成。容器用镀镍钢板制成，直接与电解液或一组极板接触，所以碱性蓄电池的外壳带电：正极由氧化镍粉、石墨粉组成，石墨粉主要用来增强导电性，不参与化学反应；负极由氧化镉和氧化铁粉组成，掺人氧化铁粉的目的是使氧化镉粉具有较强的扩散性，防止氧化镉结块，增加极板的容量；正负极上的这些活性物质分别包在穿孔的钢带中，加压成型后构成电池的正负极，两极之间用耐碱的硬橡胶隔开。

碱性蓄电池电解液的质量分数为20％的氢氧化钾(KOH)水溶液(或纯氢氧化钠溶液)，相对密度为1.2—1.27。蓄电池充电时将电能变为化学能储存起来，放电时将化学能变为电能输送给用电设备，两电极所发生的化学反应是可逆的。在充放电过程中总的化学反应方程式

Cd+2KOH+2Ni(OH)3=Cd(OH)2+2KOH+2Ni(OH)2 (6—2)

(负极)(电解液)(正极) (负极) (电解液) (正极)

从上式可知，电解液在充放电过程中只作电流的传导体，不参与化学反应，其浓度不变，因而不能根据相对密度来判断充放电的程度，只能采取测量电压的方法来判断碱性蓄电池的充放电的程度。碱性蓄电池中每个电池的电动势为1.25V。放电时，电压变化在12~1V范围内，电流增大时可达到0.7V，低于0.7V就不应再放电。充电时，电压变化在1.4—1.8V范围内。

3）蓄电池的容量

容量是描述蓄电池储存电能能力的物理量，单位为安培小时(A·h)。它用充足电的蓄电池放电到规定终了电压(一般为额定电压的90％)时所放出的能量来表示，以放电电流I与放电时间t的乘积描述，即Q=I·t(A·h)。

酸性蓄电池通常以10h的放电电流为标准放电电流(即经过10h使蓄电池放完电的放电电流)，因此，额定容量被定义为在电解液温度为25℃，以10h放电电流连续放电至终止电压时所输出的容量。例如200A·h容量的酸性蓄电池是指能以20A的电流放电10h。

蓄电池的容量与放电电流的大小及电解液的温度有关，因此如果超过标准放电电流进行放电，不但会降低容量，而且会严重影响蓄电池的寿命。关于碱性蓄电池一般是以8h作为标准放电电流。

5．船用蓄电池的充放电方式

1）充电的方法和种类

蓄电池的充电方法和类型有多种，应根据蓄电池的用途和经济性来选用。

（1）充电方法

恒电流充电——以恒电流充电至放电结束；

恒电压充电——给蓄电池加以恒定电压进行充电(由于充电初期通过电流大，应根据该电流选定整流器的容量)；

恒电流恒电压充电——在充电初期通以适当的恒定大电流，达到某一电压时，保持恒定电压进行连续充电；

连续补充充电——给无负载的蓄电池自行放电进行补充充电的方法；

分段充电——按2段~3段变化恒电压或恒电流充电电流进行充电。

（2）充电种类

初次充电——使用铅酸蓄电池时，初次向电池内加入电解液进行充电，充电的第一阶段电流为额定容量的0.07，充到单格电压上升到2.4V为止；第二阶段电流为额定容量的0.04，充到单格电压上升到2.5V，且相对密度和电压在3h内稳定。

正常充电——对已经放过电的蓄电池，为了使其恢复到原来规定容量而进行的充电，充电分两阶段进行，第一阶段按标准充电制的电流(额定容量的0．1)充电6—7h；第二阶段用第一阶段充电电流的一半充电2—3h。

均衡充电——多个小电池组合使用的蓄电池在长时间使用后，各小电池往往产生相对密

度、容量的不均衡现象，为此需要每月进行一次均衡充电，其方法是先进行正常充电；静置1 h后，用初次充电第二阶段的电流充到有剧烈气泡产生为止；再静置1 h，反复上述充电过程，直到电压和相对密度保持稳定才完成。

（3）蓄电池充放电方式

目前，船舶上采用的充放电方式有交互充放电方式、浮充方式以及交互充放电和浮充相组合的方式。各种充放电方式的特点如表6—1所示。

表6—1 各充放电方式比较

6．船用蓄电池的维护保养

1）酸性蓄电池

（1）电解液应每半个月检查液面高度，每年进行化验检查。要及时补充电解液，注液孔螺帽应旋紧，以防电解液溅出。

（2）应保持蓄电池表面清洁，为防止极柱夹头生锈，其表面应涂上一层凡士林油膜。

（3）蓄电池室应保持良好的通风，并严禁烟火。

（4）过充电——酸性蓄电池在运行中往往因长时间充电不足或过放电等原因造成极板硫化，这时要对蓄电池进行过充电，使蓄电池恢复到良好的运行状态。过充电是指在正常充电后，再用10 h放电率的1／2或3／4的小电流进行充电1 h，然后停1 h，如此反复进行，直至刚一接通充电电源就发生强烈气泡为止。

2）碱性蓄电池

（1）每半个月检查一次电压、电解液密度和高度，及时补充电解液。

（2）保持气塞透气或定期打开气塞放气。

（3）碱性蓄电池的外壳带电(正极)，存放时须防金属将负极与外壳接触，引起短路。

（4）一般工作10—12次充放电循环或每月进行一次过充电。

（5）每年或使用50—100次时，应更换电解液。电解液的更换应在放电状态下进行，必要时可用纯水清洗，并及时注入更换的电解液。

六、 岸电箱

船舶停泊码头或进坞修理时，一般接用岸电电源。在码头上设置有与岸电连接的装置，船舶一靠码头即可使用岸电。船上发电机组全部停机，既可减少靠岸时的值班人员，又便于对发电机组进行正常的维护或修理。

直流电制船舶进坞修理时，须接用直流岸电，船坞中可以安装直流岸电箱，也可以不安装直流岸电箱而将直流岸电电缆直接拉至机舱主配电板供电。由于码头上陆用电源多为交流

电，考虑停泊码头时接用交流岸电的需要，设置了交流岸电箱。交流岸电的供电方式有两种：

1．接用单相交流岸电，仅供船上照明电路使用，此时，配电板内照明汇流排与电力汇流排分开；

2．船上安装一台变流机组或整流装置，将交流岸电变为直流电，再供电给船上的停泊负载。交流电制船舶则无论进坞修理还是停泊码头，都应设置交流岸电箱以接用交流岸电。岸电箱的容量依据停泊负载来确定，各类船舶的停泊负载不同，通常包括：照明设备、日用设备(日用海水泵、日用淡水泵以及空压机等)、冷藏空调设备、厨房设备、通风机、通信设备、修理机械和娱乐设备等。

设计岸电箱及接岸电的基本要求如下：

1）岸电箱应有下列设施

岸电箱内应设有能切断所有绝缘极(相)的断路器或开关加熔断器；指示端电压的指示灯

或电表；用于连接软电缆的合适接线端子；对岸电为中性点接地的交流三相系统，应设有接地

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；应有监视岸电极性(直流时)和相对船舶配电系统的相序(三相交流时)是否相符的设施；标明船电系统的配电系统的形式、额定电压和频率(对于交流)的铭牌；有时根据船东要求还应装设电度表。

2）接岸电箱时应注意的问题

岸电箱应安装在便于连接来自外部电源软电缆的场所，根据安装的处所，选择合适的外壳防护等级。岸电箱与主配电板间应以固定敷设的电缆连接，该电缆应有足够的的定额。当岸电或(和)船电系统为中性点接地的交流三相系统时，应将船体与岸地相连接。利用船体作导电回路的船舶，在接岸电时，不能以陆地或海水作岸电回路，而应以绝缘的岸电相线将船体与岸电网络的零点或接地的相线或接地的负极相连。岸电箱内应有连接此电缆的接线柱。

三相交流岸电箱上常采用指示灯组成相序指示器。其接线方式有多种，如图6—4所示。

选用2个指示灯时，亮的指示灯表示超前相，暗的指示灯表示滞后相；采用1个指示灯时，灯亮表示超前相。

图6—4 相序指示灯电路图

2个指示灯HL的电阻应该相等，或指示灯HL的电阻和电阻R的阻值相等，并满足

uCR=1。根据计算所得的指示灯和电容的参数列入表6—2。

表6—2 相序指示器的参数

§6—3 船舶应急电源

一般规范都规定客船和500总吨以上的货船应设有独立的应急电源。它可以是发电机，也可以是蓄电池组。作为应急电源使用的发电机称为应急发电机。

应急发电机应该具有独立的冷却装置和燃油供给单元，并设有满足规则要求的起动装置。当船舶发生火灾或其他灾害引起主电源供电失效时它应能自动起动和自动连接于应急配电板，尽快地承载额定负载，最长时间不得超过45s。应急发电机的容量应确保海上人命安全公约(SOLAS)和主管机关有关规定的供电范围和供电时间，并应考虑到这些用电设备可能同时工作。

不同种类、吨位的船舶，其应急发电机供电的电气设备范围也略有不同。确定应急发电机的容量通常基于下述设备所需的电功率，即：航行灯、信号灯、应急照明设备、应急报警和信号装置、火灾探测和报警装置及防火门的固定和释放系统；在紧急状态下所需要的船内通信设备、应急消防泵、自动喷水泵、应急舱底泵及其电动遥控设备、应急时使用的舵机、动力操作水密门及其指示器、报警器，以及其他需要应急发电机供电的用电设备，如船员或船员提升至甲板上以便逃脱的电梯应急装置、应急用无线电设备和导航设备等。

一般应急发电机需对舵机之类较大的电动机负载供电，在确定其容量时，应考虑到最大电动机起动时瞬态电压降的影响。

§6—4 发电机主开关

船舶发电机主开关常采用万能式自动空气断路器，自动空气断路器又称自动开关。船舶常用的有：框架式即万能式自动开关(如国产DW型)和装置式(如国产DZ型)自动开关。

发电机的主开关，是发电机投入电网的接人部件。在非正常运行情况下，如发生过载、电网短路、发电机欠压等，它能自动从电网上断开发电机。因此它既是开关电器，又是保护电器。装置式自动空气开关一般用作支路、负载屏、照明屏等的开关电器，不同型号产品具有不同的保护功能，一般都具有短路保护和过载保护功能。

国内外制造的船用发电机主开关的形式很多，结构不尽相同，但基本原理大同小异，一般都是由触头单片、灭弧装置、自由脱扣机构、操作机构和保护装置组成。其结构框图

见图6—5。

图6—5万能式自动空气断路器的框图

一、 触头和灭弧系统

触头在切断时电流很大会产生电弧，因此必须具有完善的触头系统：由主触头、副触头和弧触头组成。主触头承担电路的正常工作电流，弧触头是为了防止主触头断开电路时产生的电弧烧坏主触头而设置的。在合闸时弧触头先接通，然后依次是副触头和主触头。而分闸时，主触头先断开，然后是副触头和弧触头，断开电路产生的电弧在弧触头中熄灭。

自动空气断路器大多采用灭弧栅进行灭弧 。

二、自由脱扣机构

自由脱扣机构的作用是使触头保持完好闭合或迅速断开。图6—6所示是一个四连杆机

构，它是触头系统和操作传动装置之间的联系机构。正常触头闭合状态见图6—6(a)所示，

而图6—6(b)为分闸位置。由于衔铁动作，使顶杆向上逆动，撞击连杆接点，四连杆刚性连接被破坏，脱扣机构动作，使主触头处于断开状态。图6—6(c)为准备合闸位置。当脱扣后，需再次合闸时，应先将手柄向下拉，使四连杆机构成刚性连接状态，做好合闸准备，一旦需要合闸，只需将手柄往上推即可。

(a)合闸位置 (b)分闸位置 (c)准备合闸位置

图6—6 自由脱扣机构示意图

三、操作机构

操作机构用于控制自由脱扣机构的动作，实现触头闭合或断开。自动空气断路器的操作

传动装置常见的有手柄式、连杆式、电磁式、电动式等。但无论哪一种操作方式，合闸前都必须先将储能弹簧储能，使自由脱扣机构处于“再扣”位置，然后利用储能弹簧释放能量实现合闸。使用弹簧加载以闭合和断开断路器是由在现场的制动操作装置执行的，通过安装有关的附件，也可以用电气遥控操作。

1．手动操作

各种类型的自动空气断路器都有手动合闸操作手柄，通常有转动和上下扳动两种形式。几种常见的国产自动空气断路器的手动操作方法如下：

早期国产的DW—94型自动空气断路器合闸时，先将手柄摇38圈左右，通过蜗轮、蜗杆传动将储能弹簧拉长储能，自由脱扣机构“再扣”，然后再摇2—4圈，使储能弹簧释放，以实现合闸。

DW-95型和DW—98型主开关合闸时，需先将手柄逆时针转110°和90°，然后再顺时针转一定角度，使储能弹簧储能，自由脱扣机构“再扣”，再继续顺时针转一定角度即实现合闸。 AH型主开关合闸时首先将手柄向下扳，使储能弹簧储能，自由脱扣机构“再扣”，再将手柄扳向上方，即实现合闸。

各类自动开关都有手动机械脱扣按钮，分闸时，只要按下“分闸”按钮即可实现分闸操作。尚有一些自动开关，利用扳动手柄储能，使用手动机械合闸按钮合闸。

2．电磁或电动合闸

DW—94型电动合闸主开关采用电动操作时，其合闸操作线路原理如图6—7所示。当发电机建立电压后，红色指示灯亮，失压脱扣线圈获电，操作电动机M通电转动，使弹簧储能，直至凸轮将储能开关中的常开触点闭合、常闭触点断开，此时黄色指示灯亮，表明储能弹簧已储能，自由脱扣机构已处于“再扣”位置。合闸时，按一下合闸按钮SB1，电动机再次转动，使储能弹簧释放，主开关合闸，此时绿色指示灯亮，表示合闸完毕。

图6—7 DW—94电动合闸原理图

DW—95、DW—98型电动合闸采用电磁操作，其合，闸操作线路原理图如图6—8所示。发电机建立电压1后，交流电压经二极管VD整流向电容C充电。合闸时，按下按钮SB，电容C就会对继电器KA放电，使KA的常开触点KA4和KA5闭合，接通合闸电磁铁线圈KM，在电磁吸力的作用下储能弹簧拉长储能，自由脱扣机构已处于“再扣”位置。由于电容两端的电压很快下降，因此当下降到继电器KA的释放电压时，KA的常开触点KA4和KA5断开，合闸电磁铁线圈KM断电，储能弹簧释放，自由脱扣机构动作实现合闸。合闸后，由于主开关副触点断开，此时再按下按钮SB，不会再有合闸动作。

图6—8 DW—98电磁合闸控制采用线图 6—9 AH型电磁铁合闸原理图

AH型采用电磁铁直推式合闸，线路原理图如图6—9所示。发电机建立电压后，按下电磁控制开关，继电器KA1通电，其常开触点KAl闭合后继电器KA2有电，其常开触点KA2闭合，合闸线圈KM通电，快速将动衔铁吸上，利用动衔铁的质量和速度，通过电磁合闸柱销，对四连杆机构产生一较大的冲击，推动合闸机构合闸。合闸后，自动开关的辅助常开触点DW闭合，继电器KA3通电，其常闭触点KA3断开；继电器KA1断电，其常开触点KA1断开；控制继电器KA2失电，触点KA2断开，从而使合闸线圈KM断电，电磁吸力消失，合闸动衔铁恢复原样，为下次合闸作准备。

3．保护元件

万能式自动空气断路器通常设有电流脱扣器、失压脱扣器及分励脱扣器，通过它们对自由脱扣机构的作用来实现对主电路的短路、过载、失压、欠压等保护及遥控分励操作。其原理示意图如图6—10所示。

图6—10脱扣器原理示意图

过电流脱扣器一般有电磁式和半导体式，它被用作发电机的短路和过载保护，一般具有反时限延时动作、定时限动作和瞬时动作三种动作特性。当短路故障和过载现象发生时，瞬时或经短延时或经长延时后接通电磁铁使过电流脱扣器瞬时动作，开关自动跳闸。延时元件通常采用钟表机构或利用RC充放电回路等来实现。如DW—94型延时采用钟表和齿轮摆式时间继电器完成，DW—95型、DW—98型则采用电容充放电延时。

欠压脱扣器一般由一个瞬时动作的电压继电器组成，当线路电压低于规定的整定值时，由于电磁吸力的不足引起继电器释放，通过自由脱扣机构使开关自动跳闸。为避免电网电压瞬时波动产生误动作，可采用延时，延时时间一般为1～3s。

分励脱扣器主要用于远距离控制自动开关的断开，当按下分励脱扣按钮时，继电器吸合，

通过自由脱扣机构将自动开关断开。

§6—5 船舶电网及电缆

船舶电网即船舶电力网，系指介于船舶电源和用电设备之间的传输、分配电能的传输线路。

一、船舶电网的分类

船舶电网根据供电电源的不同可分为：

1．主电网

由主发电机通过主配电板供电的网络，包括动力电网和照明电网，分别供电给动力负载和照明负载。

2．应急电网

由应急发电机通过应急配电板供电，或由蓄电池通过蓄电池充放电板供电的电路，它的供电范围见表6—3。

表6—3 应急电源供电的电气设备

注： 1）“*”标记表示必须由应急电源供电；

2）表内2、3、4、5、6等项所列设备同样也适用于由临时应急照明电源供电；

3）小应急电网。

由蓄电池通过蓄电池充放电板用以传输、分配临时应急电能的网络。对装设应急发电机

组但无自起动装置的船舶，要求安装临时应急照明电网，而且蓄电池的容量能满足连续供电

30 min。

根据负载的性质和用途不同，船舶电网还有其他的分类。通常将由主配电板直接向区配

电板、分配电板和负载供电的网络称为一次系统，由区配电板或分配电板向负载供电的网络称为二次系统。船舶电网中为动力设备供电的网络称为动力网络，向照明设备、电风扇及小容量电热设备供电的网络称为照明网络，而为各导航、通信无线电设备和监测报警系统等供电的网络称为弱电网络。

二、 船舶电网的结线方式

1．船舶电网的结线方式

大多数船舶电压等级在500V以下，采用两种结线方式：放射式和环式，如图6—11结线示意图。

(a)放射式 (b)环式

图6－11船舶电网结线方式

1）放射式特点

放射式结线的每一馈电线均由主配电板直接引出，并且各自独立，它只向一个分配电板或一个用电设备供电。其特点是：从总配电板引出的各馈电线路都安装有自动开关，便于集中控制。但是由于用电设备很多，主配电板需要集中大量的电缆端头和自动开关，不仅电缆耗量多，而且主配电板的尺寸也相应增大，一旦馈电线路发生故障，则该路的电气设备或分配电板将失电，可靠性较差。

2）环式特点

按环式结线的网络，其主馈电线是一个环形闭合回路，它经过串接在主馈电线路上的各个分线盒供电给用电设备或分配电板。其优点是：每一个用电设备均可以从线路的两个方向获得供电，当一路主馈电线路出现故障时，另一路仍可以保持供电；此外，减少了主馈电电缆的数量和长度及主配电板的尺寸。其缺点是不便于在主配电板上对各馈电线路实行集中控制。

目前，除了少数对供电可靠性要求特别高的商船和大型客船采用环状电网外，绝大部分船舶采用放射式结线方式。

2．重要负载的馈电方式

船舶重要负载是指那些与船舶航行、货物的保存、船舶及人身安全有关的设备。这些重要负载包括：主机滑油泵、冷却水泵、燃油输送泵、燃油分油机、空压机、循环水泵、锅炉给水泵以及风机、舵机、锚机、主机控制装置、导航及通信设备和各种报警装置，对这些设备要求工作可靠，因此在配电时通常采取：

1）主配电板直接供电方式。如用于舵机、锚机、消防泵、消防自动喷淋系统、无线电电源板、陀螺罗经、航行灯控制箱、苏伊士运河灯等。

2）两路独立馈电线供电。如用于某些重要的负载如舵机、航行灯控制箱等。

3）采用自动分级卸载装置。当发电机出现过载时，自动分级卸载装置卸掉次要负载，从而使发电机恢复正常工作状态。

4）分段汇流排供电方式。它的供电方式参见图6—12，当某一段汇流排上的线路发生

故障又未能及时排除时，汇流排上的自动开关动作将两段汇流排分开，保证重要设备的另一半仍能继续工作。

图6—12分段汇流排供电方式

4．主电网与应急电网的连接方式

船舶重要设备除在正常条件下由主电网供电外，还须备有在应急情况下的应急电源供电。例如舵机、航行灯和通信之类设备都分别有独立的馈电线与主电网及应急电网相连，通常有半数的电缆是不载流的，造成极大的浪费。实际上采用如图6—17的连接方式，在正常条件下联络开关闭合，重要负载经应急配电板由主电源供电，当主电源出现故障、主汇流排失电时，联络开关自动断开，应急电源则自动投入应急电网向这些重要设备供电。船舶电网这种连接方式是将应急电网视为主电网的一个组成部分。

三、船舶电网的线制

交流船舶的三相交流电力系统有中心点接地的三相四线、中心点接地的三相三线、三相三线绝缘电力系统等三种。最后一种方式安全可靠，即使在照明系统的绝缘电阻降低的情况下也不会影响动力系统，为目前大多数交流船舶所采用。

（a）三相三线 (b) 中心点接地的三相四线 (c) 中心点接地的三相三线

图6-13 船舶电网线制

四、 船舶电缆

船舶电缆和电线在结构和用途上都有区别。

电线的芯线外层覆有保证电气绝缘用的绝缘

层，而电缆除了电气绝缘层外还有用以防止

外界各种因素(火、油水、机械等)危害的防

护套。船舶电网中采用的绝大部分是电缆，

而电线仅用于电气设备的内部接线和一部

分生活舱室的照明线路。

船用电缆主要由导电芯线、电气绝缘层

和防护套三部分组成，其构造见图6-14。 图6-14 船用电缆构造

1．导电芯线

导电芯线是电缆传输电能的部分，它是由不少于7根0．26—2．47mm的圆形软铜丝绞合而成的。船用电缆根据不同需要可作成单芯、双芯、三芯和多芯。芯线的截面根据不同载流量的需要有0．8—400mm2等各种不同规格。

有关电缆的导体根数和线径可由有关产品样本中查得。必须注意国外船用电缆的芯数和

导体截面规格与我国的有所不同。

选择电缆时，必须根据使用条件，保证电缆实际通过的电流低于其允许电流。电缆的允许电流取决于电缆的绝缘材料，并以最高允许温度为基准决定的。

2．电气绝缘

绝缘层的作用是将各导电部分隔离以防止接地或相间短路。要延长电缆使用寿命，必须

提高绝缘层的性能。各种绝缘材料的允许工作温度如表6-4所示。

表6-4 绝缘材料最高允许工作温度

选择电缆的型号和截面应根据实际用途、额定电流、敷设场所的温度和环境条件，以及用电设备的工作制等决定。

§6—6船舶电力系统保护及装置

船舶电气系统的保护包括船舶发电机外部短路保护；过载、欠压、逆功率保护；船舶电网的过载、短路保护；电网的绝缘监测；接用岸电时的相序保护等。船舶中采用继电器保护装置来实现。船舶在电力系统发生故障时，要求继电器保护装置的工作具有可靠性、选择性、准确性，既能适时切除故障以防止故障蔓延，又要尽量缩小停电区域，使非故障部分能继续正常运行，减轻损害程度。

一、 电网的短路保护

船舶电网的短路保护要求良好的选择性，当发生短路故障时，仅允许切除有故障的线路部分。通常对各级保护装置的动作整定值按时间原则或电流原则予以整定。

如图6—15，若按时间原则整定，则应有t1>t2

>t3，即各级保护装置动作时间的整定值应从用电设备到发电机处逐级增大；如按电流原则整定，则应有I1>I2>I3，，即各级保护装置动作电流的整定值应从用电设备到发电机处逐级增大。实际应用时，常将两者结合起来综合考虑，

以满足选择性保护的要求。

短路保护装置通常采用万能式自动空气

开关、装置式自动空气开关及熔断器等。

装置式自动空气开关装有电磁脱扣器，大量

应用于各种配电装置，熔断器一般用作电网

的末级保护。在船舶电网中，发电机和用电

设备的短路保护装置通常设在靠近电源侧的

出线端，所以电网不设专门的短路保护装置，

而是与发电机及负载的短路保护共用一套

保护装置。 图6—15 船舶电网短路保护示意图

二、 电网的过载保护

船舶电网大多为辐射型馈线式配电网络，馈线的截面积又都与发电机及用电设备的容量

相配合的。由于发电机和用电设备的过载保护装置同时保护了电网，所以，电网中不设专门的过载保护装置。应指出的是，舵机电动机和它的供电线路根据规范要求均不设过载保护，只设短路保护和过载报警装置。

三、 单相接地及电网的绝缘监测

1．单相接地监视

船舶电网一般采用三相三线绝缘制系统，电网中的任何一相接地，将造成另外两相对地均为线电压，严重影响人身安全，若再有一相接地，就会引起两相短路的故障。这类潜在的危险性必须及时发现，予以排除。

船舶配电板上大多装有绝缘指示灯(亦称地气灯)以监视电网的单相接地。图6—16是绝缘指示灯的电气工作原理图

例如三相交流系统正常

工作时，三个灯星形连接，

各灯泡两端均为相电压，

因而亮度相同。若某一相

(如图中的A相)出现接地故障，

则灯HL1熄灭，而HL2、HL3 (a)三相交流 (b)直流

两端的电压上升为线电压，灯泡 图6—16 绝缘指示灯电路图

亮度增强。这样，值班人员就方便地判断哪一相发生接地故障。

2．电网绝缘监测

配电板式兆欧表安装在主配电板上，它能在线随时监测船舶电网的绝缘电阻。兆欧表的工作原理如图6—17所示。

图6—17 配电板兆欧表电气原理图

配电板式兆欧表由测量机构(表头)和附加装置(整流电源)组成。当电网绝缘电阻下降

时，漏电电流增大，表头指针偏转就大，如一相接地，表头指针偏转最大，绝缘电阻指示值为零。表头上可直接读出电网的绝缘电阻值，配电板兆欧表可以通过转换开关分别测量动力电网和照明电网的绝缘电阻值。船舶要求该值大于1MΩ。

§6—7 船舶轴带发电机系统

船舶轴带发电装置是由船舶主机驱动发电机供电的装置，它利用主机富裕功率来达到节

能的目的。最近几年来新造的定期集装箱船、矿砂船、散装液货船大多数安装了轴带发电机系统。其主要优点体现在以下几个面：

1．节省燃料和燃料费用。由于主机燃用劣质燃料油作为燃料，热效率高、经济性好。

2．降低辅助柴油机组的运行时间和消耗，减少了相应的维修工作量和维修费用。

3．减少滑油消耗。船舶在航行中不使用辅助柴油发动机组，也就减少其消耗的滑油。

4．有利于机舱的布置。由于辅助柴油发动机组总的工作时间缩短，故可选用较高速的柴油发动机组。使用轴带发电机时，往往会减少一台副机，机舱的空间节省了。

5．改善机舱工作环境。降低机舱的噪声，同时也减少了机舱的热源。

轴带发电机系统也存在一些缺点：

1．船舶在港作业时，不能用轴带发电机供电，仍需要辅助柴油发动机组供电。

2．对于交流电制的船舶，若非恒定转速的主机，则必须采取特殊措施，保证电网频率的恒定，故使整个系统变得较为复杂。

3．造船投资成本较大，虽然可以从营运成本降低的好处中得到补偿，但是这个补偿不仅和轴带发电机的功率有关(功率越大越好)，还与时间的利用率(即船舶在一年中航行的时间)有关。

一、船舶轴带发电机的主要类型

轴带发电机装置的类型大致可分为以下几种：

1．频率变动型轴带发电机装置，它包括变距桨普通式和定距桨普通式。

2．频率稳定型轴带发电机装置，它又分为：定速类，包括蜗轮联轴节式、油压驱动式、油类多板离合器式、无级调速齿轮箱式；晶闸管逆变器式；跨轴式；旋转变流机类，包括直流式和交流式；感应恒频式、分为旋转式、静止式，晶闸管逆变器式。

3．复合轴带发电机装置，它包括：高经济轴带发电机装置、超经济轴带发电机装置、轴带发电机电动装置、多功能齿轮箱式轴带发电机组合装置、废气涡轮轴带发电组合装置。常用轴带发电机装置系统框图如图6—18所示。

图6—18轴带发电机装置系统框图

1一轴带发电机；2一晶闸管整流器；3一电抗器；4一晶闸管逆变器；5一短路电抗器；6一同步调相机；7一励磁变换器；8一控制装置；9一励磁变压器；10一负载

二、变螺距桨船舶的轴带发电机

船舶轴带发电机由主机驱动，其转速随主机的转速而变化，因此根据主机的运行条件，对主机转速的变化需进行补偿，以便获得恒频、恒压的电力是问题的关键。按照其有无补偿，则补偿方式可以分为：

1．无频率补偿型S／G系统

这种轴带发电机系统是由主机和定距螺旋桨的推进系统驱动，主机转速未采取机械或电

气的措施进行调节，由于轴带发电机的频率随主机转速而变化，这种轴带发电机系统只能在其频率不超出船舶规范允许范围时才可使用。

2．频率补偿型S／G系统

在这种系统中，采用机械或电气的控制手段保持船舶电网的频率，轴带发电机装置

组成的(CPP+S／G)属于这种系统。

3．变距桨和轴带发电机装置组成(CPP+S／G)

在该系统中，主机和轴带发电机之间装有减速齿轮装置。船速取决于变距桨的螺距

大小，主机转速及轴带发电机的频率大致恒定。

在CPP十S／G系统中，只在切换发电机时，才可以和其他发电机并联运行，因为长时间并联运行是非常困难的。例如在主机运行于额定转速，可变螺距不处于最佳螺距工况，将会导致动力装置效率迅速递减。

4．变距桨船舶轴带发电机装置的工作原理

由于变距桨船舶采用的主机都为定速定向型，在正常航行时主机的转速维持在一个设定

的速度上(额定转速)，而且主机的转向是一定的，不需要换向，航速是靠调节桨叶的角度来实现的，所以这类船舶大都采用轴带发电机，且不需加恒频装置。轴带发电机与主机轴之间是靠机械传动装置(减速齿轮箱)联在一个系统中，因此整个系统的组成比较简单，其工作原理与系泊(辅助)发电机的工作原理大致相同。

在船舶机动航行或进出港时，由于主机负荷变化比较大，为了安全起见，采用系泊发电机供电；在船舶定速航行时切换为轴带发电机供电，整个系统操作方便，维护较其他几种类型工作量要小得多。

这种类型轴带发电机系统存在的缺点是：

1）轴带发电机的输出电源频率受到主机负荷变化的影响，一旦工况不好或负荷幅度波动较大，则轴带发电机输出电源频率也将发生较大变化，显然对电网上的负载、设备是很不利的。

2）轴带发电机可以和其他发电机并联运行，但时间不宜过长，这主要是因为主机与副机的工作特性有差别，两者很难做到机械特性一致。因此在船舶自动电站的管理装置的设计上，就应考虑到这个问题。只允许在相互转换的过程中短时间的并联运行，确保电站安全运行。

3）轴带发电机输出功率的大小还要受到主机允许输出功率的限制。当主机负荷较大或

由于各种因素的影响使主机带负荷的能力下降时，轴带发电机的输出功率就不能增大，否则会引起主机超负荷运行，这时为了保证主机的正常工作，需要切除轴带发电机变换为系泊发电机向电网供电。

三、定距桨船舶的轴带发电机

1．定距螺旋桨、定速装置和轴带发电机装置组成(FPP+CS＋S／G)

在这种系统中，推进轴和轴带发电机之间装有定速装置。当推进轴转速发生变化时，轴带发电机的转速保持恒定。定速装置有多片离合器式、涡流联轴器式、液压转换器式和电控星形齿轮。但这种轴带发电机装置不能和其他发电机持续并联运行，而且当速度和额定转速差异较大时，装置容量将受到限制，效率降低，在100％额定转速时，总体效率％万＝0．93；当70％额定转速时，总体效率，9＝0．83，故其应用受到限制。

2．定距螺旋桨、轴带发电机和恒定频率装置组成(FPP+S／G+CF)

在这种系统中，轴带发电机的转速是可变的，但由于采取了电气控制方式，使得供给船舶电网的电源频率保持恒定。这种系统不但在换接时可以与其他发电机并联运行，而且可以长期持续并联运行。

目前，由于电力电子元件在电气控制领域中的应用，这种轴带发电机系统被采用得越来越多。如"AGE"晶闸管轴带发电机系统就属于(FPP+S／G+CF)类型。但是，这种轴带发电机

系统的构成比较复杂，涉及的控制元件也比较多，一旦出现故障，检修工作难度很大。

§6—8 船舶中压系统简介

一、 船舶中压电力系统简介

有关中压电力系统的定义，各个国家以及在不同领域的标准是不完全一致的。常用的 IEEE标准100规定：中压交流电力系统是指额定电压大于1 000V、小于10 000 V的电力系 统；在此之上，还有高压和超高压。对于额定频率为60Hz的电力系统，中压的额定值有2.3、 4.16、6.6kV等级；而额定频率为50Hz的电力系统，中压的额定值有3.3、6.0、10kV等级。 目前国内外建造的船舶大多数是440V或380V低压交流电力系统。随着船舶用电量的增加，发电机容量的增加，特别是一些特种用途船舶所装备的大功率中压用电设备，使中压开始进入船舶电力系统和供配电装置领域，而且前景良好。例如，一些大型集装箱船舶侧推器的中压电动机、变频控制装置和配电网络，电力推进船舶的中压发电、配电、用电设备和网络。本节以2002年底新建成的“泰安口”半潜式电力推进特种运输船的中压电力系统为例，简单介绍中压电力系统的结构和运行模式的特点。

图6—19 “泰安口”半潜式电力推进船的电力系统单线原理图

1．“泰安口”半潜式电力推进船中压电力系统的结构

“泰安口”半潜船载重量为18 000t，总长156 m，可以装载海洋钻井平台。船上安装了先进的卫星动态定位系统(DP)，船尾左舷和右舷安装了SIEMENS公司和SCHOTTEL公司联合生产的吊舱式电力推进系统(Siemens Schottel Propeller，简称SSP)，其螺旋桨可以360°回 转，船舶在行驶时可以在极小的范围内灵活活动。图6—19是该船的电力系统单线原理图。图中，电网由三个层次组成：一是6.6 kV的中压主系统；二是450 V的辅助低压系统；三是450 V的应急系统。

1）6.6kV中压主电力系统的组成

中压主电力系统的电源：3台5 200kVA、720r／min、60Hz的主发电机组，柴油机为War-sila 9L32，可以单独或者并联向中压电网供电。其中No．1主发电机在装载需要50Hz中压电源供应的货物时，可以切换为2 030kVA、600r／min、50Hz的模式运转，单独为50Hz的货物负载电源供电，此时，图中用于中压汇流排连接的断路器KS1应该处于分闸状态。

中压主电力系统的负载：船尾左右舷各1台吊舱式电力推进器SSP的4.7 MW永磁同步

电动机及为其变频调速服务的变压器组、晶闸管装置；左右舷各1台侧推器的800kW电动机及为其变频调速服务的变压器组、晶闸管装置；可以为450 V的辅助低压系统供电的2台900kVA、将电压从6.6kV转变为450V的旋转变流器(在此没有采用变压器变压的原因，是因为带有大量变频调速负载的中压主电网的波形不好)。

它的供配电装置：在中压开关柜控制室共有12屏中压控制屏，分别用于3台主发电机的控制(PMA 71电力自动管理系统通过电流互感器、电压互感器、中压断路器等对发电机组进行控制)，2台电力推进装置SSP的供电，2台侧推器的供电，2台旋转变流器(机组)中压接线端的供电，2个汇流排连接断路器的控制，以及50 Hz／60 Hz货物负载中压电源供电的控制。另外，2台24VDC UPS控制柜也安装在中压开关柜控制室内。

2）450V／60Hz低压辅助电力系统

低压辅助电力系统的电源由三个来源提供：航行时，电源来自中压系统的旋转变流器(机

组)，此时图6—19中旋转变流机组两端的断路器KS3、KS4、KS5、KS6都处于合闸位置。当旋转变流机组发生故障或检修时，以及在码头没有装载货物时，电源来自1台1 125 kVA、

900r／min、60Hz的辅助发电机组，柴油机是Warsila 6L20，此时图6—19中旋转变流机组两端的断路器KS3、KS4、KS5、KS6都处于分闸位置。另外，在港内还可以连接岸电。

低压辅助电力系统的负载包括：常规船舶运行时需要供电的各种设备，例如淡水循环泵、

燃油传输泵、滑油传输泵、低温淡水泵、高温水循环泵、中央冷却海水泵、通风机、燃油锅炉、空压机、锚机、消防泵、甲板液压起货机、照明电力配电板、助航仪器供电、机舱监控系统的供电等。也包括电力推进装置的方位控制泵，电力推进装置变压器、变频器的冷却泵，货物起重机，半潜船的压载水空压机，用于3台主发电机、辅助发电机、旋转变流机组、电力推进驱动装置的保温装置，动态定位(DP)系统的供电。

它的配电装置：在低压配电板控制室共有17屏低压控制屏，分别用于1台辅助发电机的控制，2台旋转变流器低压端的连接，1个汇流排连接断路器的控制，4个电动机组合起动屏，6个输出负载屏，以及为中压变频驱动器服务的低压负载的供电屏。

3）450 V／60Hz应急电力系统

（1） 应急电力系统的电源有两个来源：通常，电源来自450V的辅助供配电系统，此时图6—25中连接辅助电力系统和应急电力系统的断路器KS7、KS8都处于合闸位置。应急时，电源来自1台250kVA(300kVA)、900r／min、60Hz应急发电机组。

应急电力系统的负载包括：常规船舶应急时需要供电的各种设备，例如电池充放电板、应急照明、航行灯、雷达、陀螺罗经、机舱通风机、消防系统、应急消防泵、电话、总报警系统、机舱监控系统等的供电。也包括半潜船的压载水控制台、SSP控制台、动态定位(DP)控制台的供电。

应急电力系统的配电装置：在应急发电机控制室共有3屏低压配电板分别用于应急发电

机的控制，与450V辅助供配电系统的连接，电动机起动和输出负载的分配。

（2）“泰安口”半潜式电力推进船电力系统的运行模式

①根据船舶不同运行状态对功率的不同需求，提供经济可靠的供电，“泰安口”半潜式电力推进船电力系统可以提供如表6—5中所示的几种运行模式(表中所涉及的设备的连接关系，请参见图6—19)。

②从图6—19的系统布置可以看出，图中不同运行模式的设置，是靠电力系统中发电机组、汇流排的不同连接组合实现的。中、低压断路器带有灭弧装置，是实施电气设备带负载分合闸，并能对系统进行保护的开关设备。图中各种运行模式的设置是在控制屏上通过人工操作PMA 71液晶显示单元的键盘(或者在驾驶台的IMAC 55型集中监测控制系统的显示界面上，使用鼠标轨迹球输入命令，通过光纤网络)，实现断路器分合闸的控制。中压、低压、应急发电机断路器、汇流排连接断路器的分合闸动作都是由PMA 71电力自动管理系统的PLC单元进行控制的(在图6—19电力系统单线原理图中没有画出)。当断路器两侧都有电源时，断路器的合闸命令，将先由PMA 71系统的PLC单元发出同步并联指令到PMA 71系统中的GENOP 71发电机保护／并车智能单元，经后者判断同步并车的条件之后，再由GENOP 71单元向断路器发出合闸控制信号。

（3）中压电力系统的隔离开关和接地开关

电工材料的绝缘是相对的，当电压足够高时，绝缘体也会被击穿。在中高压电力系统，操作人员即使没有直接接触带电部分，如果不慎，相距带电部分过近，小于规定的安全操作距离，也可能受到严重的触电伤害。因此，中压电气设备，例如变压器、电流互感器、电压互感器、断路器都安装在完全封闭的开关柜中。输电电缆采用的是绝缘性能极高的材料制成的。当需要带电操作接触带电部分时，要严格按照安全操作规程，使用合格的绝缘工具进行。维修清洁时，必须停电进行；同时，在电力系统的设计中也安装了必要的隔离开关和接地开关，以保证操作人员的安全。

表6-5 “泰安口”半潜式电力推进船电力系统提供的几种运行模式

注：①No．1主柴油发电机组可以作为选择，连接到推进器汇流排。

②作为选择，No．2、No．3主柴油发电机组可以代替No．1主柴油发电机组连接到汇流排。不同于船舶常见的低压电力系统，由于断路器的断开点在外部是看不见的，中压电力系统为了保证在维修时操作人员的人身安全，系统在中压主发电机断路器与中压汇流排连接点之间、在中压汇流排连接断路器的两端、在旋转变流机组的断路器与中压汇流排连接点之间，都串联了隔离开关。隔离开关是具有可见断开点的开关，但是没有灭弧装置，因此不能带负荷分合闸。在使用时，断路器的分、合闸操作顺序有先后规定，有时也与断路器有机械或者电气的连锁。

另外，为了确保维修人员正在接触的线路无电，在中压供配电线路上还安装了多处接地开关。接地开关(三相)的一端与母线相连，另一端与接地点可靠相连，与隔离开关相同，接地开关也没有灭弧装置，不可以带负载分合闸。在停电维修某一段线路和设备时，合上相应的接地开关，能保证被维修线路和设备可靠的接地，防止线路上电荷积累，或者在断路器意外合闸时，由于线路三相接地，短路电流会使断路器立即跳闸。

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