艦船電力系統(tǒng)體系框架構(gòu)想

趙大成，肖楊婷，趙躍平

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

現(xiàn)行的《艦船通用規(guī)范》（3組-電力系統(tǒng)）（后續(xù)簡稱《通規(guī)3組》）編制于20世紀90年代，于2000年頒布使用，至今已過去21年。在這20多年的發(fā)展過程中，《通規(guī)3組》為各類低壓艦船電力系統(tǒng)的科研設(shè)計、裝備制造和試驗驗證等工作提供了重要的規(guī)范指導(dǎo)作用。同時，在這20年的海軍艦船裝備建造過程中，也出現(xiàn)了大量的新型電力系統(tǒng)形式，如采用低壓交流或中壓交流電制的綜合電力系統(tǒng)和中壓直流的新型綜合電力系統(tǒng)。在船舶電氣設(shè)備方面，隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用，各類供電、配電、變電和岸電等設(shè)備的性能和功能也發(fā)生了較大的變化。

由此可見，在《通規(guī)3組》頒布后的20年時間內(nèi)，艦船電力系統(tǒng)的設(shè)計、建造、試驗和使用等情況在不斷發(fā)展變化，而《通規(guī)3組》的內(nèi)容還停留在20年前，出現(xiàn)了標準規(guī)范嚴重落后于裝備建造的現(xiàn)象。而事實上，《通規(guī)3組》的發(fā)展與艦船電力系統(tǒng)的設(shè)計、建造、試驗和使用等全過程環(huán)節(jié)應(yīng)相互促進，同步發(fā)展。

迫于上述現(xiàn)狀，急需對《通規(guī)3組》進行修訂，實現(xiàn)標準規(guī)范與時俱進，適應(yīng)于現(xiàn)行的各型艦船電力系統(tǒng)的層次劃分，覆蓋各型電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備的通用性要求，以指導(dǎo)后續(xù)的科研設(shè)計與制造工作。因此，現(xiàn)行《通規(guī)3組》的整體框架和規(guī)范內(nèi)容都存在不足，需要調(diào)整各分章節(jié)的劃分原則，以符合電力系統(tǒng)的邏輯框架。同時，補充綜合電力系統(tǒng)通用性設(shè)計要求，補充中壓供電、配電、變電、岸電等設(shè)施的通用要求，補充綜合保護裝置、新型自動化技術(shù)等通用要求，以契合新時代的海軍建造需求。

1 我國艦船電力系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

在常規(guī)動力艦船中，電力系統(tǒng)主要為生活保障設(shè)施、輔助泵組、艦船操作和通信保障等電力負荷提供電力保障。其中，為滿足不同類電力負荷的供電需求，電力系統(tǒng)設(shè)置了正常供配電裝置和應(yīng)急供配電裝置。應(yīng)急供配電裝置可保證在事故情況下，重要負荷的不間斷供電，從而保障艦船重要使命的順利實施。隨著艦船噸位的上升，以及電力推進負載、先進高能負載等新型用電設(shè)備的增加，電力系統(tǒng)的容量不斷提升，電力系統(tǒng)在艦船中的重要性也更加突出，直接關(guān)系到艦船機動性和戰(zhàn)斗力。

可以看出，隨著技術(shù)的不斷進步，艦船電力系統(tǒng)的形式和功能在不斷發(fā)生變化，電力系統(tǒng)在艦船中的地位和作用日益提高，促使艦船電力系統(tǒng)的電壓等級和功率等級不斷突破，從低壓AC 390 V到AC 690 V，再到中壓交流和中壓直流4 kV～5 kV，未來甚至?xí)_到更高電壓等級。站在時代發(fā)展的角度，從我國第1代艦船開始，艦船電力系統(tǒng)正在經(jīng)歷從常規(guī)電力系統(tǒng)、低壓交流綜合電力系統(tǒng)、中壓電力系統(tǒng)、新型綜合電力系統(tǒng)的演化。

在現(xiàn)行《通規(guī)3組》編制時期，我國水面艦船只有1種形式的電力系統(tǒng)（潛艇電力系統(tǒng)除外），即AC 39 0V的低壓電力系統(tǒng)，且電力系統(tǒng)容量較小，單機最大容量為1 MW左右，系統(tǒng)最大總?cè)萘考s4 MW。電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也比較簡單，一般采用前后電站的形式，通過干饋式結(jié)構(gòu)向負載供電。

進入21世紀后，我國海軍進入高速發(fā)展時期，先后建造具有大容量、中壓以及復(fù)雜供電網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)特征的艦用電力系統(tǒng)，無論是單機容量，還是電站數(shù)量都得到了大幅提升，用電負荷的類型也變得更加多樣化。由此也帶來了電力監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、自動化控制水平也都得到較大提升。“十二五”期間，馬偉明院士及其團隊攻克了艦用中壓直流綜合電力系統(tǒng)技術(shù)，進一步拓展了我國艦船電力系統(tǒng)的類型。

這些變化都標志著我國艦船電力系統(tǒng)的類型、規(guī)模和組成都已經(jīng)遠遠超過現(xiàn)行《通規(guī)3組》的內(nèi)容，出現(xiàn)了標準規(guī)范嚴重落后于工程實際的矛盾。為了進一步提升艦船電力系統(tǒng)建造的標準化水平，提升技術(shù)、設(shè)備的通用化程度，提升備品備件的互換性，有必要從近20年的裝備建設(shè)實際成果中汲取標準化、規(guī)范化的有益因素，優(yōu)化完善通規(guī)中的相應(yīng)內(nèi)容，實現(xiàn)標準規(guī)范與工程應(yīng)用的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 國內(nèi)外標準現(xiàn)狀分析

無論是在國內(nèi)民用標準領(lǐng)域，還是在國外標準領(lǐng)域，船用電力系統(tǒng)及配套設(shè)備的相應(yīng)標準已形成了比較完善和成熟的標準體系。目前，我國船舶電力系統(tǒng)標準包括 GB、GJB、CB，以及中國船級社規(guī)范（CCS）。國外船用電氣相關(guān)標準主要包括英、美、德、挪威等國的船級社規(guī)范、軍艦建造規(guī)范，以及IEC/TC18電氣設(shè)備委員會發(fā)布的一系列標準。

2.1 國內(nèi)標準現(xiàn)狀

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國船用電力系統(tǒng)及設(shè)備標準已制定標準近200項，包括了電力系統(tǒng)綜合標準、電池標準、電動機標準、電線電纜、配電設(shè)備、發(fā)電設(shè)備、變電設(shè)備、照明設(shè)備及其他電器等各類標準。其中，GB/T 13030—2009、GB/T 22190—2008和GB/T 2948 4—2013都屬于電力系統(tǒng)綜合標準。CCS鋼質(zhì)海船入級規(guī)范分別在第4篇《電氣裝置》和第7篇《自動化系統(tǒng)》中規(guī)定了船舶電氣裝置及其監(jiān)測控制系統(tǒng)的一般性設(shè)計要求，以及制造和試驗的基本要求。

為了適應(yīng)中高壓電制、電力推進等新技術(shù)的應(yīng)用，CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》采用補充規(guī)定的形式，如第4篇第2章第14節(jié)和第15節(jié)分別為“交流高壓電氣裝置特殊要求”和“電力推進裝置附加要求”。

2.2 國外標準現(xiàn)狀

美軍在艦船電力規(guī)程的研究、制定和使用方向上走在世界前列。目前，美軍沒有制定艦船電力系統(tǒng)通用規(guī)范，但制定了電力設(shè)備基本技術(shù)要求MIL-DTL-917F《電力設(shè)備基本技術(shù)要求》以及電力系統(tǒng)界面標準MIL-STD-1399-300B《交流電力系統(tǒng)界面》和MIL-STD-1399-680《高壓交流電力系統(tǒng)界面》。

與CCS規(guī)范不同，國外船級社規(guī)范電氣裝置章節(jié)的內(nèi)容不僅僅包括電氣設(shè)備的一般要求，還包括系統(tǒng)設(shè)計的要求。如，挪威船級社（DNV）規(guī)范（2014版）第4部分第8章“電氣裝置”的第2節(jié)中就規(guī)定了“系統(tǒng)設(shè)計”的相關(guān)要求，包括設(shè)計原則、系統(tǒng)電壓和頻率、主供電系統(tǒng)、應(yīng)急供電系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、保護、控制等系統(tǒng)級綜合要求。在電氣設(shè)備的規(guī)范性要求中，各國船級社規(guī)范都明確了電源、照明、旋轉(zhuǎn)機械、半導(dǎo)體變流器（電力電子裝置）、電纜、安裝、蓄電池的相關(guān)要求及電力推進附加要求。

2.3 小結(jié)

根據(jù)國內(nèi)外船舶電力系統(tǒng)的標準和規(guī)范的建設(shè)情況來看，電力系統(tǒng)標準的組成要素基本相同的，系統(tǒng)級層面包括系統(tǒng)設(shè)計類要求；設(shè)備層面包括設(shè)備設(shè)計、制造、試驗、安裝等要求；有些規(guī)范還包括自動化控制、通信的要求，以及新技術(shù)發(fā)展而增加的補充或附加要求。

但是各國標準或規(guī)范的框架體系存在較大差異，并沒有統(tǒng)一的電力系統(tǒng)的層次和架構(gòu)劃分。這主要是因為各國船舶的建造模式存在差異，而標準和規(guī)范則主要是為船東、船廠、設(shè)備商和檢驗等角色服務(wù)的，需要適應(yīng)于標準所應(yīng)用的行業(yè)現(xiàn)狀。

3 通規(guī)3組標準框架構(gòu)想

艦船通用規(guī)范是一部關(guān)于艦船裝備研制的基礎(chǔ)性、通用性技術(shù)管理規(guī)定，它明確了艦船研制最低限度應(yīng)滿足的基本要求和原則。《通規(guī)3組》是艦船通用規(guī)范的重要組成部分，以“艦船電力系統(tǒng)”為對象，全方位、多角度、多層次全面約定了艦船電力系統(tǒng)及設(shè)備研制、生產(chǎn)、試驗的通用化要求和原則。

3.1 構(gòu)建原則

在制定標準框架的過程中，需要科學(xué)的方法論指導(dǎo)框架制定，從而形成具有完整核心內(nèi)涵的艦船電力系統(tǒng)標準框架。在現(xiàn)行《通規(guī)3組》規(guī)范制定之時，我國海軍的艦船數(shù)量和種類都遠遠少于當(dāng)前的狀態(tài)，《通規(guī)3組》的制定只能采用借鑒和沿用的方式，形成了低壓艦船電力系統(tǒng)的通用設(shè)計規(guī)范。目前，我國海軍已經(jīng)實施建造了數(shù)量較多的各類新型艦船，形成了大量的新型電力系統(tǒng)設(shè)計、建造經(jīng)驗，正是將實踐經(jīng)驗提煉形成通用規(guī)范的好時機。因此，《通規(guī)3組》的修訂工作將以遵循現(xiàn)役艦船電力系統(tǒng)的架構(gòu)為核心原則，符合管理部門、系統(tǒng)總體設(shè)計單位、設(shè)備承研單位、建造單位的工作模式，實現(xiàn)標準修訂的繼承性。

《通規(guī)3組》應(yīng)全面覆蓋艦船電力系統(tǒng)的各類要素，涵蓋各類艦船需求，因此“全面性”是標準框架構(gòu)建時必須考慮的重要條件，不能存在無法歸類或覆蓋的產(chǎn)品和技術(shù)類別，確保《通規(guī)3組》能夠反映艦船電力系統(tǒng)的各主要技術(shù)領(lǐng)域，能夠指導(dǎo)設(shè)計人員、檢驗人員、使用人員處理在不同環(huán)節(jié)面臨的各類問題。

《通規(guī)3組》應(yīng)具有較強的實用性，具有較好的可操作性，層次劃分合理，使設(shè)計人員能便捷、快速、準確地獲取規(guī)范性要求。

因此，《通規(guī)3組》標準框架將采用“繼承性、全面性、實用性”的構(gòu)建原則，指導(dǎo)構(gòu)建艦船電力系統(tǒng)的標準框架。

3.2 層次設(shè)計

根據(jù)繼承性原則，《通規(guī)3組》電力系統(tǒng)應(yīng)符合現(xiàn)役艦船電力系統(tǒng)的基本層次劃分。目前，電力系統(tǒng)是艦船的1級系統(tǒng)之一。在一級系統(tǒng)層次下，又根據(jù)功能的不同，劃分為供電、配電、電氣監(jiān)測與控制、照明和機組保障等2級系統(tǒng)。

根據(jù)全面性原則，《通規(guī)3組》電力系統(tǒng)應(yīng)涵蓋綜合電力系統(tǒng)、電場磁場防護系統(tǒng)等特殊系統(tǒng)的相關(guān)要求。因此，《通規(guī)3組》中新增“370綜合電力系統(tǒng)”章節(jié)，包括了低壓交流、低壓直流、中壓交流和中壓直流等各類綜合電力系統(tǒng)的通用性要求。同時，該分類方法也符合《船舶工業(yè)標準體系表（2012）》對綜合電力系統(tǒng)的歸屬劃分方式。

根據(jù)實用性原則，《通規(guī)3組》各章節(jié)的組成內(nèi)容應(yīng)與實際工作模式相協(xié)調(diào)，便于各類使用人員準確定位所需的規(guī)范性內(nèi)容。如，在設(shè)備層框架中，原規(guī)范中采用“發(fā)電機組、應(yīng)急機組、停泊機組”的劃分與系統(tǒng)設(shè)計階段對設(shè)備分類的方式不同，為保持一致性，在修訂階段將采用原動機分類的方式，劃分為“柴油發(fā)電機組、汽輪機發(fā)電機組、燃氣輪機發(fā)電機組”。

因此，《通規(guī)3組》的標準框架共分為3個層次，分別是“1級系統(tǒng)層”“2級系統(tǒng)或特殊系統(tǒng)層”以及“設(shè)備層”，見圖1。

圖1 《通規(guī)3組》層次劃分

4 結(jié)論

本文初步梳理了我國海軍艦船的發(fā)展脈絡(luò)，以及國內(nèi)外艦船電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備等相關(guān)標準的現(xiàn)狀，參考各類標準規(guī)范的組成要素，以及我國艦船電力系統(tǒng)行業(yè)的工作模式，提出了新的艦船電力系統(tǒng)3組標準層次劃分構(gòu)想，為未來《通規(guī)3組》的補充、修改和完善等工作的順利開展提供參考。