船用電氣設備可靠性分析

文/張允明 姚立權

在我國船舶事業不斷發展背景下，船用電氣設備也逐漸朝向自動化、節能化方向發展，提升了船用電氣設備的設計難度，特備是在電氣設備可靠性設計當中，必須要從細節層面出發，保障每個電氣設備、電源都達到可靠標準。針對船用電氣設備來說，需要選擇符合船用條件的設備，生產廠家要有可靠的質量保證體系，經過檢驗部門通過的設備才能夠投入使用。同時，船舶電氣設備可靠性設計中還要有應急措施，嚴格按照行業標準與規范，對應急設備進行設計，適應船舶在各類工況下的適用性，確保船舶航行安全。電氣設備可靠性需要從安全性層面考慮，為電氣系統提供自動檢測功能、報警系統、保護系統等，保證電氣系統運行足夠可靠。

1 電氣系統可靠性及其評估相關闡述

1.1 電氣系統可靠性

電氣系統可靠性主要涵蓋了兩個方面，一是充裕度；二是安全性。充裕度是指電氣系統在運行中具有足夠的發電、輸電容量，在任何時候都能夠滿足電氣設備峰荷要求，確保整個電氣系統的穩態性能；安全性是指在電氣系統故障情況下的安全性，避免產生聯鎖反應造成整個系統失控或集體斷電，代表電氣系統動態性能。供電可靠性公式為：

供電可靠性=（1-電氣系統故障時間/電氣系統正常運行時間）*100%

1.2 電氣系統可靠性管理與評估

電氣系統可靠性涉及到兩個領域，包括可靠性管理和可靠性評估。電氣系統可靠性管理是對已經運行的電氣系統與設備進行管理與統計，包括擬定可靠性管理標準、要求。對電氣設備各項可靠性信息數據進行收集、統計、分析等，從而實現電氣系統可靠性監督。可靠性評估是通過電氣系統可靠性評價方法、模型，對電氣系統拓展方案展開可靠性分析。

圖1：電氣系統單線運行圖

2 船用電氣設備可靠性分析

船用電氣設備可靠性的影響因素非常多，主要是包括電源系統、電磁干擾、傳輸介質、設備減振等，只有全面消除負面因素，才能夠有效提升船用電氣設備的運行可靠性，確保船舶航行安全。

2.1 電源系統

2.1.1 電源供電連續性

具有關標準規定，如果是依靠主電源實現船舶推進、操作，則任何一臺發電機產生了故障而停機，則其他可以保證船舶推進、操作的電氣設備立即恢復供電。對于船舶來說，除了自航船外，幾乎所有的船舶都是通過主電源實現船舶推進和操縱，因此要能夠滿足以上要求。想要實現這一目標，要重點考慮如何實現“立即恢復供電”。而“立即”并不是一個明確的概念，所以執行起來需要考慮多種因素，為了能夠對“立即”提出一個標準，可以考慮應急發電機的啟動時間，也就是將“45s內恢復供電”作為“立即恢復供電”指標。但后續執行這一方法時，也出現了很多問題，因此將國際船舶提出的“30s恢復供電”作為“立即供電指標”。30s是非常嚴格的指標，考慮到我國大部分傳播發電機配備狀況，可以采用以下3種方法保證電源設備的可靠性。

（1）在船舶正常供電的基礎上，1臺發電機負責供電，一旦該發電機產生了故障問題，系統會在30s內自動切換成備用發電機供電，并保證備用發電機具備足夠容量。采用該方法的多數都是小型船舶，總噸位通常在1600t以內。通過調查發現，即使是采用自動投切方案，在30s之內實現立即恢復供電也是十分苦難的。所以對于有限航區航行的船舶（國內海域），且發電機總容量不足400kW時，可以不要求自動切換電源。

（2）船舶由2臺或2臺以上發電機供電時，如果一個發電機因故障無法運行時，要設有將非重要設備自動卸載功能，將保證居住條件設備、次要設備自動卸去，從而確保整個系統的可靠性，避免影響船舶安全航行。

（3）IEC要求重要電氣設備必須送審，分析設備運行的協調性。選擇性保護可以劃分為過載選擇性保護、短路選擇性保護形式。過載保護是結合電流大小來控制斷電器動作參數。短路選擇性保護主要是根據時間理論實現相關功能。其中，短路選擇性保護要從以下三個方面出發。如圖1當中，想要讓斷路器K1、K2、K3的進行動作選擇保護，單臺發動機最大電流要比斷路器動作電流更小。也就是保障K1可以正常工作。再者，想要實現短路選擇保護，需要由主匯流給重要設備供電，圖1中的K5、K6、K7間要協調運作，從而實現選擇性保護目標。

2.1.2 設備供電與工作連續性

為了能夠保證電氣設備供電、工作連續性，整個系統要選擇并聯形式。根據船舶設備對航行安全性的影響，可以將電氣設備分為重要設備、非重要設備。中重要設備還分為主要設備、次要設備。主要設備負責傳播推進、操作連續工作設備；次要設備是船舶推進、操作不連續設備，無論是主要設備還是次要設備，都是保證船舶安全航行的重要設備。電氣系統設計中要重點保護重要設備連續性運行。供電連續性當中，斷路器②供電設備產生故障后，此時斷路器②脫扣，斷路器①不脫扣，這樣即可確保斷路器③實現連續供電，所以在斷路器①和②；①和③時間采用選擇性保護方案。電氣設備工作連續性當中，如果產生上述故障問題，此時斷路器①脫扣，合上斷路器①即可實現斷路器③連續工作。所以在開關選擇當中，要確保開關的閉合性能、分斷性能達到標準。

2.2 電磁干擾

船舶空間十分有限，特備是對于空間狹小的船舶，電氣設備布置非常緊湊。再加上船用電氣設備使用頻繁，在開啟、斷開中會產生一定的電磁干擾問題。通過靜電場、交變電磁場以及傳輸電路耦合到被干擾電源。如果在電氣系統設計當中沒有考慮到電磁干擾問題，后續調整要投入大量的人、財、物，甚至要重新設計。導致電磁干擾的條件有干擾源、敏感體、耦合通路。電磁兼容設計只要能夠破壞其中一個因素，即可避免電磁干擾。常見的電磁干擾解決方案有電磁屏蔽、濾波、接地。

2.2.1 隔離變壓器

對于船用電氣設備電磁干擾來說，主要的干擾源就是交流電源，會對計算機控制系統造成很大的影響。最好的解決方案就是電氣設備單獨供電，但很多中小型船舶空間小，無法做到這一點，通常是將控制系統、強電裝置獨立設置，采取隔離措施解決。如圖2所示，電網電源交流變壓器通過濾波裝置將高頻干擾信號過濾掉，之后經過變壓器為自控裝置提供有效電源。通過隔離變壓器即可將干擾源去除。

2.2.2 RC吸收裝置

船用電氣設備當中國的繼電器、開關設備、接觸器數量非常多，在觸頭閉合、斷開時會產生一定的抖動情況，嚴重會出現電弧，從而引發出電磁干擾問題。針對此類問題可以采用RC吸收電路，將其安裝到觸頭位置。由于電容C兩端電壓無法突變，因此可以有效降低抖動帶來的干擾問題。C值越大，抖動抑制效應越好。此外，電容也能夠起到消弧效應，結合公式：

R*C≥（3～5）*T/2（T為放電時間）

電容C釋放電流可以通過電阻R限制。通過RC電路消除電弧，這樣即可避免產生電磁干擾問題。

2.3 消除傳輸介質

圖3：屏蔽濾波裝置

圖4：光電耦合器

電磁屏蔽可以采用2種方法，如圖3所示，包括屏蔽干擾源、屏蔽干擾設備。電磁屏蔽法可以有效切斷干擾傳輸路徑，對空間干擾性尤為明顯。結合船用電氣設備的特點，信號輸入到信號接收電路較長，例如在主機系統中，駕駛室為輸入電路，機艙是接收電路，二者之間傳輸線路非常長，所以會受到加大的電磁場耦合干擾。針對此類問題主要是采用屏蔽線纜，這樣即可避免干擾信號通過饋線耦合傳輸到電氣設備中。

開關量輸入和輸出通常都是應用光電耦合器，如圖4所示。該方法能夠起到輸入和輸出電路的隔離作用，從電信號轉變為光信號，切斷聯系。還能夠分開輸入、輸出接地，從而可以有效防治地線串入造成的干擾問題。

2.4 電子設備減振

考慮到傳播機艙中振源數量非常多，包括主機、輔機、各類泵等，這些都會提升振動率，所以在安裝在機艙中電子儀表會遭受干擾，影響電子儀表數據的精準性，嚴重會導致儀表損壞。這就要重點考慮減振問題。

為了降低或消除電子儀表振動問題，可以在電子設備上增設減振器，這樣即可降低振動頻率，確保設備可以正常運行。需要在電氣設備系統k-m基礎上增加1個動力吸振設備ka-ma系統，對該系統的固有頻率進行調節，和外界擾動頻率相同，理論上即可實現k-m系統振動消失。

3 結束語

綜上所述，加強船用電氣設備可靠性研究是一個系統的工程，會直接影響船舶運行的安全性，這就需要全面加強船用電氣設備可靠性分析和研究工作，通過穩定系統電源、屏蔽電磁干擾、減振處理、優化電氣系統使用環境，這樣才能夠有效提升電氣系統運行質量，降低負面因素的影響，提升電氣系統的可靠性，這樣才能夠保證船舶運行安全。