艦船電力系統網絡結構分析

冒如權

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室 上海200011）

0 引 言

艦船電力網絡是艦船電力系統的一個組成部分。在艦船電站配置確定的條件下，電力網絡結構型式的選擇對保證供電的可靠性和生命力［1］起著決定作用；特別對于戰斗艦艇來說，艦船電網設計要求供電連續性強、可靠性高。確保當某處發生故障時，電力系統應能通過網絡的迅速調度，切除或隔離故障部位，最大限度地滿足所有剩余負載的正常連續供電，將故障影響降到最低。因此，選擇高可靠性電力網絡結構和重要負載多路供電措施，對艦船電力系統設計至關重要。根據裝艦負載容量，艦船總體設計依據的規范和生命力、可靠性要求，艦船電站設計有單主電站、兩主電站和多主電站電力系統方案。下面分別對以上三種艦船電力系統的設計及特點進行分析，并計算幾種常用典型系統供電通路的概率，提供設計選型建議。

1 單主電站電力系統

單主電站電力系統指全船數臺發電機組組成一個主電源。油船、拖船及各類工程船等執行非直接戰斗任務的輔助艦船，考慮到采購成本和運行經濟性，常參照民船規范設置一個主電源，即一個主電站。主配電板匯流排之間設置隔離開關，將主配電板分成獨立的兩段或數段，一是當一段主配電板及連接負載線路故障切除故障部分，確保剩余負載的連續供電，二是對影響航行安全和人命安全負載從主配電板沿兩舷兩路供電，提高供電可靠性。

根據艦船噸位大小和裝艦負載數量，配電系統有主配電板直接向負載分電箱直接供電和主配電板經分配電板向負載分電箱供電兩種型式。小型艦船因負載容量小、數量少，一般采用主配電板直接供電（見圖1）；負載數量多的艦船，一般除重要負載由主配電板直接供電，其余負載由設在各負載集中區域的分配電板供電，可減少穿艙電纜的敷設（見圖2）。當主電源失電時，為保證航行安全設備和人命救生設施的正常工作，只設有一個主電站的艦船一般還設置應急電站；在正常情況下，應急配電系統作為主配電系統的一部分，主電源經主配電板向應急配電板供電；主電源失電后，由應急電源通過應急配電板向應急負載供電［2］（見圖 3）。

圖1 直接供電

圖2 經分配電板供電

圖3 應急負載供電

單主電站電力網路的特點是電力網絡結構簡單、層次清楚，配電系統設計中合理分配負載連接，可以保證重要負載的供電可靠性，自動化要求不高，在航行安全和人命安全得到充分保障的前提下，可有效降低采購成本。

2 兩主電站電力系統

兩主電站電力系統是指全船數臺發電機組組成前、后兩個主電源。執行戰斗任務的大、中型艦船，為保持較強的電力系統生命力和供電連續性，設置前、后兩個主電站，當船體相鄰艙室破損仍能保持不沉時，有一個主電站保持完整，可供使用，為全艦最大用電工況提供電力。

根據前、后電站之間跨接線連接型式可分為單跨接網絡和雙跨接網絡。采用單跨接線連接前、后電站主配電板，形成半環型網絡，控制跨接開關的開閉，前、后電站可分區和聯網供電（見圖4）；前、后主配電板分兩舷采用雙跨接線連接，形成電源型環網，雙跨接線互相聯鎖，一用一備，提高供電線路可靠性，可分區和聯網供電，實現電站多模式組合運行（見圖5）。

圖4 單跨接線網絡

圖5 雙跨接線網絡

為了降低戰損對電力系統供電連續性的影響，跨接線分別沿艦兩舷盡可能遠的敷設，設置在左舷、右舷的上部和下部，連接艦船各電站發電機組，兩路電纜應盡最大可能地拉開在橫向和縱向上的距離，提高供電生命力。前、后電站采用跨接線連接，通過前、后主配電板、區配電板、分電箱向負載供電，對于重要負載由前后配電兩路兩舷直接供電，在一個主電站故障情況下，仍能提高全艦電力供應，確保重要負載供電的連續性和可靠性。

兩個主電站電力網路的特點是層次清楚，通過合理的電站運行模式組合，用電負載能從兩個電站獲得電能，供電可靠性高。但這種方式結構較復雜，采用冗余的電站設置，建造成本高，在管理和保護上比較復雜，技術水平要求高，一般采用自動電站實現。

3 多個電站電力系統

多主電站電力系統是指全船數臺發電機組形成多個獨立主電源。隨著艦艇大型化、任務多樣化，裝船負載數量多、容量大，可靠性要求高，以及受保護設備能力限制，在發電機組容量較大、數量較多的艦船，一般設置多個主電站。設置前、中、后三個獨立主電站，三個電站通過敷設在兩舷的跨接線連接起來，形成網格型電力網絡，在一個主電站出現故障時，剩余的兩個主電站可保證全艦最大工況供電需要。重要負載可從兩個電站獲得供電，提高了設備的供電可靠性和連續性。根據供電負載與主配電板的連接關系可區分為：一是通過主配電板經分配電板至負載或重要負載主配電板直接供電（見圖6）；二是負載通過舷側區配電板供電兩種（見圖7）。前者連接方式是兩個電站的拓展，后者每臺發電機組分兩路向兩舷區配電板供電，再通過兩舷跨接電纜將區配電板連接。此種方式供電電源生命力高，敷設電纜較多，但區配電板設置在舷側，增大了戰損幾率。

圖6 普通多電站電力網

圖7 舷側區配電板供電網絡

為了提高電網可靠性，負載采用兩路或多路供電。不過，過多的備用，增加了系統的復雜程度，反之，則會降低整個系統的可靠性。增加敷設電纜，不僅使采購與建造成本增加，并且貫穿各個區域的電纜（尤其是穿過水密艙壁的電纜）也影響了艦船的生命力，因此，又提出區域配電技術［3］（見圖 8）。 通過在負載集中的區域設置獨立電站，設備由該區域內電站供電，并在兩舷設置兩根母線，可以通過跨接方式由其他區域的電站供電。

圖8 區域配電網絡

網格型電力網絡結構是兩個主電站電力網絡結構的拓展，其特點與其基本相同，只是電站的容量有所增加，管理和控制更加復雜。區域供配電方式特點是大量配電板的饋線電纜無需穿過水密艙壁，因此，既能降低敷設電纜的數量和價格，更好地適應現在區域造船需要，并且大部分電纜和電站可以在各區段完成安裝調試，提高施工效率。不足之處是電站分布于多個獨立艙室，管理復雜且自動化要求較高。

4 典型電力網絡結構供電概率分析

艦船電力系統的生命力和供電可靠性與電力設備和負載到電源通路密切相關［4］。在不考慮設備故障的情況下，供電通路的多少直接關系到供電可靠性［5］，而供電通路的多少則由選擇的電力網絡結構決定。根據大、中、小型艦船電力系統設計情況，以下述四種常用典型電力系統網絡結構為例，計算對某一負載的供電概率，并加以比較。為計算方便，不考慮系統中設備和節點的故障，只考慮電纜供電線路的概率，其受損概率由電纜長度和敷設位置的影響［6］。

反之，供電電纜保證供電的概率P［L］為：

（2）舷側方向供電電纜保證供電的概率P［S］，取決于供電線沿舷側方向的敷設位置。

若沿兩舷船體敷設P［S］取0.5；若沿船中線面敷設P［S］取1；若在中線面和舷側船體殼板之間敷設時，則根據其離船體中線面的距離?。篜［S］=0.5～1。

（3）供電電纜保證供電的總概率

根據以上公式和某型船供電電纜敷設情況，計算各線段保證供電的概率，計算結果見圖9～圖12。

設n根供電電纜，其保證供電概率分別為P［1］、P［2］…P［n］，其損壞概率分別為

將此n根供電電纜串聯，只要有一根供電電纜損壞，整個串聯線路將不能保證供電。故n根供電線串聯后，保證供電概率P［SE］為：

將此n根供電電纜并聯起來，則只有當所有供電電纜都損壞時，整個并聯線路才不能保證供電。故供電線并聯式保證供電的概率P［PA］為：

圖9 單電源單路直接供電

對于圖9，單電源單路直接供電，電動機M的供電只有一條通路，其保證供電的概率為：

P［A］=P［A1］P［A2］P［A3］=0.95×0.8×0.95=0.722；保證供電的總概率

圖10 兩電源兩路供電

對于圖10，兩電源兩路供電，電動機M的供電有兩條通路，其保證供電的概率為：

同理，P［B］=0.95×0.8×0.95=0.722

電機供電總概率為：

圖11 兩電源單跨接線兩路供電

對于圖11，兩電源單跨接線兩路供電，電動機M的供電有四條通路，其保證供電的總概率為：

圖12 兩電源雙跨接線兩路供電

對于圖12，兩電源雙跨接線兩路供電，電動機M的供電有六條通路，其保證供電的總概率為：

通過以上計算發現，圖12保證供電的總概率最高，正是因為供電通路的增加，供電的可靠性也不斷增加，所以在電力系統網絡設計時，應權衡考慮經濟性和可靠性，選擇電力系統網絡結構。

5 結 論

電力系統設計時采用的電站數量和電力網絡形式，主要由依據設計參照的規范標準和對電力系統生命力要求決定。單電站主要應用于不直接參與戰斗，遭受戰斗損傷幾率小的艦船，如救援、打撈、拖帶等輔助艦船；兩電站主要應用于對電力系統生命力和可靠性要求高的戰斗艦艇；多電站主要應用于電站容量較大、機組數量多、供電可靠性要求高的大型戰斗艦艇。電力系統設計時，應綜合考慮生命力、可靠性、經濟性、技術可實現水平等多方面情況，提高負載供電通路，實現高可靠性供電。

［1］李紅江，魯宗相，朱凌志，等.艦船電力系統生命力評估研究［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版）.2007（3）：533-536.

［2］王東鶴.船舶電力系統的設計與研究［D］.大連海事大學，2006.

［3］冀路明，張懷亮.艦船配電網絡結構研究［J］.船舶工程，2009（2）：35-38.

［4］黃巧亮，劉國海，劉維亭，等.船舶復雜配電網絡結構可靠性評估［J］.船電技術，2009（3）：20-24.

［5］喻浩，焦紹光.艦船電力系統可靠性研究初探［J］.船電技術，2006（4）：21-24.

［6］孫詩南.艦船電力系統的研究與設計［M］.北京：國防工業出版社，1991.