船舶電網(wǎng)重要負(fù)載順序啟動(dòng)的設(shè)計(jì)

楊　璟

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院， 上海 201203)

0　引　言

船舶電網(wǎng)失電后恢復(fù)供電時(shí)，船上重要設(shè)備必須重新自動(dòng)啟動(dòng)。此時(shí)若負(fù)載同時(shí)啟動(dòng)，將產(chǎn)生較大的突加負(fù)荷，對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊，并對(duì)船舶電網(wǎng)的瞬態(tài)電壓波動(dòng)及瞬態(tài)頻率波動(dòng)均有很大的影響，更嚴(yán)重者可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作及發(fā)電機(jī)停車、飛車等嚴(yán)重后果，影響電力系統(tǒng)的可靠性及安全性。為此，常規(guī)船舶自動(dòng)電站在電壓恢復(fù)后采用重要負(fù)載分級(jí)順序啟動(dòng)的方式來解決該問題。

1　突加負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響

1.1　電壓波動(dòng)及控制

同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)簡(jiǎn)化矢量見圖1，發(fā)電機(jī)端電壓數(shù)值的計(jì)算公式[1]為

Ug=E0-jIgXd

(1)

式(1)中：Ug為發(fā)電機(jī)端電壓；E0為發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)；Ig為發(fā)電機(jī)定子電流；Xd為發(fā)電機(jī)同步電抗。

由式(1)及圖1可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載電流Ig的大小發(fā)生變化時(shí)，若要保持發(fā)電機(jī)端電壓Ug一定，只有隨之相應(yīng)地改變發(fā)電機(jī)的電勢(shì)E0，即調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小。在實(shí)際運(yùn)行中，Ig及φ的值是經(jīng)常變動(dòng)的，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓Ug也經(jīng)常隨之變動(dòng)。要維持電壓恒定，必須采用自動(dòng)電壓調(diào)整方式，所以同步發(fā)電機(jī)一般均配有自動(dòng)電壓調(diào)整器。

圖1　同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)簡(jiǎn)化矢量圖

圖2　電壓調(diào)整過程曲線

1.2　頻率波動(dòng)及控制

發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，其能量平衡關(guān)系可用式(2)表示

(2)

式(2)中：PM為柴油機(jī)的機(jī)械功率；PE為發(fā)電機(jī)的電功率；ΔP為機(jī)械和電氣損耗；TC為機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)；dn/dt為機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化率。

柴油機(jī)輸出的機(jī)械功率PM取決于柴油機(jī)的供油量，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電功率PE為電網(wǎng)負(fù)載消耗的功率。當(dāng)PM=PE+ΔP時(shí)，柴油機(jī)輸出功率與發(fā)電機(jī)負(fù)載功率和機(jī)電損耗平衡，dn/dt= 0時(shí)，說明發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速是恒定的，電網(wǎng)頻率不發(fā)生變化。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載突加時(shí)，此時(shí)PM

圖3　發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)速特性

柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性見圖3，為保證供電質(zhì)量，當(dāng)發(fā)電機(jī)在空負(fù)荷狀態(tài)下突然加上50%額定負(fù)荷，穩(wěn)定后再加上余下的50%負(fù)荷時(shí)，其瞬時(shí)調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的10%；發(fā)電機(jī)穩(wěn)定調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的5%；恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間(即轉(zhuǎn)速恢復(fù)到波動(dòng)率為±1%范圍的時(shí)間)不超過5 s。如采用高增壓四沖程柴油機(jī)作為驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)時(shí)，其調(diào)速特性試驗(yàn)可按多于二次的加載方式進(jìn)行加載。

2　重要負(fù)載順序啟動(dòng)的設(shè)計(jì)方法

從上述分析可知，突加負(fù)荷會(huì)使船舶電網(wǎng)產(chǎn)生電壓及頻率的波動(dòng)。因此，為提高重要設(shè)備供電的連續(xù)性，在船舶失電后恢復(fù)供電時(shí)重要負(fù)載采用帶延時(shí)順序自動(dòng)啟動(dòng)方式，有利于船舶航行的安全性及可靠性。順序啟動(dòng)的設(shè)計(jì)通常按以下步驟進(jìn)行。

2.1　順序啟動(dòng)的分級(jí)

順序啟動(dòng)中重要設(shè)備的分級(jí)應(yīng)該根據(jù)負(fù)載的重要程度進(jìn)行設(shè)定。通常，船舶推進(jìn)和乘員安全有關(guān)的設(shè)備延時(shí)時(shí)間最短，如照明、通信導(dǎo)航、舵機(jī)和主機(jī)滑油泵等。

順序啟動(dòng)各級(jí)的延時(shí)時(shí)間，應(yīng)保證在下一級(jí)的延時(shí)時(shí)間內(nèi)，基本完成上一級(jí)啟動(dòng)，至少應(yīng)避開啟動(dòng)的峰值電流，故每級(jí)啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間不得小于2 s，通常為5～7 s。

2.2　瞬態(tài)電壓降的檢驗(yàn)

電網(wǎng)突加負(fù)荷導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)端電壓下降時(shí)，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不低于額定電壓的85%，即每一級(jí)重要負(fù)載順序啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)電壓降數(shù)值不能超過15%。因此在完成順序啟動(dòng)的分級(jí)后，需計(jì)算每一級(jí)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)電壓降。采用運(yùn)用負(fù)載啟動(dòng)電流的方法進(jìn)行計(jì)算，具體的計(jì)算公式為

(3)

2.3　發(fā)電機(jī)調(diào)速特性檢驗(yàn)

圖4　突加負(fù)荷限值曲線

一般柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)分4級(jí)進(jìn)行，因此其調(diào)速特性對(duì)突加負(fù)荷值有一定的限制，某發(fā)電機(jī)廠家提供了突加負(fù)荷限值曲線見圖4。

順序啟動(dòng)分級(jí)后，需核算每一級(jí)負(fù)載突加時(shí)的最大啟動(dòng)功率，然后在發(fā)電機(jī)調(diào)速特性突加負(fù)荷限值曲線上找到對(duì)應(yīng)的基本負(fù)荷與突加負(fù)荷限值進(jìn)行比較，檢驗(yàn)負(fù)載突加時(shí)的最大啟動(dòng)功率是否在發(fā)電機(jī)的調(diào)速特性限值范圍內(nèi)。

計(jì)算突加負(fù)載啟動(dòng)功率時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載的啟動(dòng)功率因數(shù)考慮為0.35，照明及其他負(fù)載按0.8進(jìn)行計(jì)算。

3　實(shí)例分析

以某型船的電站設(shè)計(jì)為例，主發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　主發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)

3.1　重要負(fù)載分級(jí)

參照船級(jí)社的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)船上重要設(shè)備的配置及重要程度，設(shè)定順序啟動(dòng)分級(jí)及啟動(dòng)時(shí)間如下。

第一級(jí)(0 s后)：舵機(jī)、供油單元、照明、通導(dǎo)、自動(dòng)化設(shè)備及主空壓機(jī)。

第二級(jí)(5 s后)：主機(jī)滑油泵及主機(jī)輔助鼓風(fēng)機(jī)。

第三級(jí)(10 s后)：中央低溫冷卻淡水泵及主機(jī)缸套冷卻淡水泵。

第四級(jí)(15 s后)：主冷卻海水泵。

第五級(jí)(20 s后)：機(jī)艙風(fēng)機(jī)。

3.2　瞬態(tài)電壓降計(jì)算

順序啟動(dòng)分級(jí)后，每級(jí)啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)電壓降不應(yīng)大于發(fā)電機(jī)額定電壓的15%。根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2中的計(jì)算結(jié)果可知，每一級(jí)順序啟動(dòng)的瞬態(tài)電壓降均小于15%，滿足發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓波動(dòng)要求。

3.3　發(fā)電機(jī)調(diào)速特性檢驗(yàn)

表2　瞬態(tài)電壓降計(jì)算

順序啟動(dòng)每一級(jí)的啟動(dòng)負(fù)荷功率見表3，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，以該級(jí)設(shè)備啟動(dòng)前基本負(fù)荷功率為橫坐標(biāo)，啟動(dòng)負(fù)荷功率為縱坐標(biāo)，繪制順序啟動(dòng)負(fù)荷曲線，并與發(fā)電機(jī)調(diào)速特性突加負(fù)荷限值曲線進(jìn)行比較(見圖5)。

圖5　順序啟動(dòng)負(fù)荷曲線

由圖5可知，順序啟動(dòng)負(fù)荷功率曲線均在限與值曲線范圍內(nèi)。

表3　啟動(dòng)功率計(jì)算

4　結(jié)　語

對(duì)于船舶自動(dòng)電站，重要負(fù)載自動(dòng)順序啟動(dòng)的方法已得到廣泛采用。因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行船舶電站的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮負(fù)載自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)于電網(wǎng)的影響，利用分級(jí)延時(shí)的方法使其對(duì)電網(wǎng)的沖擊降至最低，保證船舶電站的安全性及可靠性。