73.8 m多用途貨船的電力系統設計探討

覃 漢

(梧州船舶檢驗局，廣西 梧州 543000)

0 引言

船舶是一個在水上活動的獨立體，船舶電力系統雖然沒有陸地上的那么大型，但也是一個獨立的電網，也是由電源、電網、配電等裝置組成，但發電、供電和用電都是在船上完成，是船舶航行安全和船員正常工作生活的保證。由于船舶存在空間小、溫度高、濕度大、振動多、傾斜大、易受沖擊等特點，導致船舶電力系統工作環境惡劣，電氣設備容易出現相互干擾、出力不足、接觸不良、損壞及老化等問題，因此，船上的電氣設備需要比陸地上的更加優良。隨著船舶不斷大型化、電氣化和智能化，對船舶電力系統的設計提出了更高的要求。73.8 m多用途貨船是西江流域在建船舶中最新最大的其中一種船型，現以該船的電力系統設計為例，簡述船舶電力系統設計的原則和方法。

1 電源裝置的設計

船舶電源有發電機或蓄電池兩種。按照《鋼質內河船舶建造規范》(以下簡稱《內規》)規定，主電源可采用由獨立的原動機驅動的發電機組，或者由推進主機驅動的發電機，或者蓄電池組。對于動力操舵裝置，為主機服務的各種輔機、消防泵、艙底泵等船舶正常運行所必需的設備均為電力供電時，應至少設置2臺與主機獨立的發電機組。這些發電機組的臺數和容量，應能在任何一臺發電機組停止工作時，仍能對船舶正常航行、安全和冷藏貨物的設備供電，并保證最低舒適的居住條件。該船應最少設置2臺與主機獨立的發電機組，其中的一臺作為備用。另外還需設置一定的蓄電池組，供航行信號燈等DC24V設備用，并供主輔機啟動用。

1.1 交流發電機的選取

1.1.1 電力負荷的計算

根據船體和輪機專業設計提供的舾裝和輪機設備情況，統計船舶用電設備的額定功率、效率、同時使用系數等數據，利用三類負荷法來計算電力負荷，把負載分為三類，第Ⅰ類為連續使用的負載，如舵機電動機、風機電動機、照明燈、無線電和助航設備；第Ⅱ類為間歇使用的負載，如消防泵電動機、艙底泵電動機、錨機電動機、油水分離器電動機等；第Ⅲ類為偶爾使用的負載。按照航行狀態、進出港狀態、停泊狀態、應急狀態、裝卸貨狀態進行電力負荷計算。得出結果見表1：

表1 電力負荷計算匯總表

1.1.2 確定發電機

根據電力負荷計算書，該船在機艙設置三相交流發電機組兩套，發電機型號為SGTH-30，功率為30 KW，轉速為1 500 r/min，由41.5 KW的柴油機帶動。發電機單機運行，兩套發電機組互為備用。這樣設置滿足了船舶各種狀態下的電源需求；有一臺備用發電機，而且還有≥80%的貯備，滿足規范要求；不用發電機并車運行，操作維護方便。發電機的選取設置合理適用。

1.2 蓄電池組的配置

按照《內規》規定，設置了2臺發電機作為主電源的船舶，應至少設置一組蓄電池組，供應DC24V的航行信號燈、報警裝置、通信系統、操舵控制系統等設備，以及兼作臨時應急電源。蓄電池容量根據負荷表進行計算。

該船的DC24V負荷表見表2：

表2 DC24V負荷表

蓄電池容量計算按以下公式進行：

Q=P×T/(U×Ki)

式中，Q——所需蓄電池容量(Ah)；

P——負荷消耗功率；

T——設備供電時間；

U——蓄電池電壓(V)取24 V；

Ki——放電系數。

Q1=775×0.5/(24×0.3)=53.8(Ah)

Q2=50×1/(24×4.2)=5.0(Ah)

Q3=450×4/(24×0.78)=96.2(Ah)

Q=Q1+Q2+Q3+154.9(Ah)

本船選用6-CQA-200 12 V 200 Ah蓄電池，在主甲板設置4塊，每兩塊串聯成24 V 200 Ah蓄電池組，分兩組采用甲充乙放方式，供給DC24V電源設備。另外在機艙設置8塊，每兩塊串聯成24 V 200 Ah蓄電池組，供左右主機和1#、2#發電機組啟動用。蓄電池容量滿足計算要求，設置滿足規范要求。

2 配電系統設計

2.1 線制的選擇

根據《內規》規定，供該船選擇的直流線制有雙線絕緣系統、負極接地的雙線系統以及利用船體負極回路的單線系統；供該船選擇的交流單相線制有雙線絕緣系統、一線接地的雙線系統以及一線利用船體作回路的單線系統；供該船選擇的交流三相線制有三線絕緣系統、中性點接地的四線系統以及利用船體作回路的三線系統。雙線絕緣系統在直流和交流單相制中是最安全的，三線絕緣系在交流三相線制中是最安全的，可以避免船上人員的觸電事故。該船的直流線制和交流單相220 V線制采用雙線絕緣系統，動力設備380 V采用三相三線絕緣系統；確保用電的安全性。中性點接地四線系統的優點是中性電流通過導線通導，不會出現中性點偏移，供給用電設備的電源質量好，故該船交流電源400 V采用中性點接地的三相四線系統。這樣設置保障了船舶供電的連續性，單相負荷也不需要變壓器，減少建造成本。

2.2 配電裝置的設置。

配電裝置是用來接收和分配電能的電氣裝置，設置時除了要能接通和斷開電路外，還要在系統發生故障時有切斷故障元件和發出報警信號等保護功能，還要有測量和顯示電壓、電流、頻率、功率等參數的測量功能，對電路狀態和開關狀態進行信號指示等功能。該船在機艙設交流主配電板1個，用來控制和監視發電機運行、供電及船電岸電聯鎖轉換等工作，并對全船電網進行配電，主配電板裝有電壓表、電流表、頻率表、絕緣測試指示燈等測量儀表，設有轉換開關、指示燈、按鈕、發電機主開關、負荷開關等。主甲板上的餐廳前壁設充放電板1個，監測和控制蓄電池充放電及DC24V配電，并裝有臨時應急照明裝置，與交流主配電板AC220V照明聯鎖，在AC220V照明電源失效時，自動接通臨時應急照明。駕駛室設駕控臺1座，內設有24 V分電箱、助航分電箱、24 V/220 V航行信號燈控制板、無線電通信及助航設備、主機操縱、儀表控制板等，進行船舶運行的各種操縱和監控。

3 電網設計

船舶電網負責輸送發電機發出的電能到船舶的各個用電設備。對船舶電網的基本要求是生命力強，要求出現故障或局部損壞時仍能連續供電，并限制故障的影響在最小范圍內。

3.1 確定電網的結線方式

一般民用船舶的電網結線方式有放射式、干線式。放射式是從主配電板引出很多根電線，各自作為獨立的支路，只向一個用電設備或分配電箱供電，其優點是可以集中控制，一個支路出現故障被隔斷后不影響其他支路的用電，供電可靠性高，缺點是需要電纜較多，成本高；干線式是從主配電板引出一根或幾根電線作為干線，所有用電設備通過串聯在干線上的方式進行供電，其優點是需要電纜少、成本低，缺點是無法集中控制，某個用電設備發生故障時可能導致該干線上的全部設備無法工作，供電可靠性差。通過分析，該船的照明采用干線式，其他采用射線式供電。

3.2 電纜的選擇

根據規范要求，電纜絕緣材料的最高工作溫度應至少比電纜安裝場所可能存在或產生的最高環境溫度高10 ℃以上；固定敷設在可能產生有凝結水或有害氣體等處所的電纜具有不透性護套；需在失火狀態下工作的設備電纜應采用耐火電纜；確定電纜導體截面積時，當電纜在正常工作條件下承載電氣設備所需的最大電流時，從主配電板的匯流排到任何安裝點的電壓降應不大于額定電壓的6%。由蓄電池供電，其電壓≤50 V者，線路的總電壓應不大于標稱電壓的10%，但航行燈、信號燈及操舵電磁閥線路的電壓降應不大于蓄電池標稱電壓的6%。根據要求，該船緊急報警裝置、擴音系統、臨時應急照明等需在失火狀態下工作的設備用CEF/NA型船用耐火電纜，其余的

采用CEF/SA型船用電纜。電纜的導線截面積根據計算選取，交流發電機到主配電板用25 mm2的電纜；主配電板到艏錨機用10 mm2的電纜；到其他各動力設備用4 mm2的電纜；到各照明分電箱用2.5 mm2的電纜。蓄電池到充放電箱用4 mm2的電纜；充放箱到各照明、助航等設備用2.5 mm2的電纜。

4 結語

船舶電力系統設計是船舶整體設計的一個不可或缺的部分。其主要進行電源、電網、配電裝置的設計，應充分考慮發電機的選取、蓄電池的配置、線制的選擇、配電裝置的設置、電網的結線方式、電纜的選擇等因素，確定電力系統設計方案，然后繪制成設計圖紙，制作成設計文件，作為送到船檢部門審核和船廠施工的技術資料。經過船舶建造和運行實踐，該船的電力系統設計科學、安全、實用，已被作為西江流域同類型船舶的示范進行推廣，取得較好的經濟效益。