潘江虎

摘 要：文章根據船舶配電板的功能要求，論述了船舶低壓配電板設計的相關技術問題，包括配電板功能設計、短路分析計算以及選擇性配合保護。

關鍵詞：低壓配電板電氣設計；系統(tǒng)短路分析；選擇性配合分析

中圖分類號：U665 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0003-02

配電板是船舶電力系統(tǒng)的中樞，是用來把船舶電源的電能經過集中控制再分配到各用電設備的裝置，其主要功能是對電力系統(tǒng)實施保護、分配、轉換，對系統(tǒng)運行參數（電壓、電流、功率、頻率等）進行監(jiān)視、測量和調控。如果供電中斷，船舶將失去動力來源，勢必對船舶的正常運行和安全造成不可估量的嚴重后果，因此配電板的設計不僅要求能夠可靠的對個負載用戶供電，而且要保證電力系統(tǒng)的不間斷性。

1 船舶配電板

船舶配電裝置是用來接收和分配船舶電能，并對發(fā)電機和電網進行保護、測量和調整等工作的設備，它是由多種開關、保護電器、測量儀表、調節(jié)和信號裝置等電器設備按照一定要求組合而成的，其功能有：

①根據需要接通或斷開電路（手動或自動）；

②當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護裝置能按要求動作，切除故障設備或網絡，或發(fā)出報警信號；

③測量和顯示運行中各電氣參數，如電壓、電流、功率、功率因數等；

④能對電站的電壓、頻率以及并聯運行的各發(fā)電機組的有功、無功功率進行調整；

⑤能對電路狀態(tài)、開關狀態(tài)以及偏離正常工作狀態(tài)進行信號顯示和報警。

1.1 主配電板

主配電板是對船舶主發(fā)電機的工作以及船上所有用電設備的供電進行通斷、監(jiān)視、控制和保護的配電盤，主要實現本地、遠程控制發(fā)電機、發(fā)電機進線開關、母聯開關，負載均分及負載轉移等功能。主配電板由各種不同功能的功能屏組成，主要有發(fā)電機控制屏、并車屏、負載屏：

①發(fā)電機控制屏：控制、調節(jié)、監(jiān)視和保護發(fā)電機組用的。主要有發(fā)電機進線開關操作按鈕及指示裝置、測量儀表、電壓和速度調節(jié)裝置、發(fā)電機保護單元。

②并車屏：發(fā)電機進行并車同步操作。主要由母聯分段開關、絕緣監(jiān)測裝置、手動和自動同步并車裝置、配電板報警指示裝置。

③負載屏：對各饋電線路進行控制、監(jiān)視和保護。有重要動力負載屏（推進、操舵和船舶安全所必須的設備）、非重要動力負載屏（短時間不運轉不會對船舶推進和操舵有損害，也不危及乘客、船員、貨物、船舶以及機械安全的設備），照明負載屏及重要負載組合啟動屏。

1.2 應急配電板

應急配電板包括應急發(fā)電機控制屏、聯絡屏以及負載屏。在正常工作情況下，應急配電板通過聯絡屏由主配電板供電，當主電源發(fā)生故障時，此聯絡開關自動切斷，切換由應急發(fā)電機供電。根據SOLAS的要求，通常情況下，應急發(fā)電機應該處于自動待機的狀態(tài)，使得一旦出現癱船或者應急情況，應急發(fā)電機能在45 S之內啟動并接通應急配電板向應急負荷供電。

當出現失電時，通常很難立即判斷究竟是可恢復還是不可恢復，因此，主電源根據規(guī)范要求（備用發(fā)電機應盡快自動啟動并連接至主配電板，最好在失電后30 s內完成，最長不超過45 s）立即啟動自動恢復程序的同時，應急電源也會根據規(guī)范要求（主電源供電失效是應能自動起動和自動連接于應急配電板，最長不超過45 s）立即啟動自動供電程序。失電自動恢復供電程序與應急電源自動起動程序是同時進行的。應急配電板的恢復供電，究竟是由主電源還是應急電源承擔，取決于兩者起動速度的快慢。如果主電源首先恢復，則應急配電板由主電源供電，而應急發(fā)電機則處于起動后空轉的狀態(tài)，直至被手動或者自動停機。如果應急電源首先向應急配電板供電，若主電源無法恢復，就進入應急電源供電的應急狀態(tài)；若然后主電源恢復了供電，應急配電板會自動從應急電源切換到主電源供電。

2 系統(tǒng)短路計算

短路電流由兩部分組成：一部分短路電流隨時間按正弦規(guī)律變化，成為周期分量；另一部分因回路中存在電感而引起的自感電流，成為非周期分量。短路后第一個半周期內的短路全電流的瞬時值，同時也是短路過程中的最大短路電流瞬時值。如圖1所示。

對于低壓配電系統(tǒng)，最重要的兩個短路參數就是沖擊短路電流Is（短路后第一個周期的全電流有效值，是整個短路過程中的最大短路電流的有效值，也稱為沖擊短路電流有效值）和沖擊短路電流峰值Ipk.。

目前很多公司采用采用SKM公司開發(fā)的Power Tools for Windows（PTW）軟件作為短路計算的工具，在軟件繪制出系統(tǒng)單線圖，其中短路時無反饋電流的負載可以省略，然后列出各電氣設備的參數，包括發(fā)電機、變壓器、電動機、電纜等參數。

在進行船舶電力系統(tǒng)設計時，必須充分估計到系統(tǒng)可能發(fā)生的短路故障，以便選擇合理的配電方式和保護裝置，保證船舶主要電氣設備能承受短路電流的沖擊，能快速有效地切斷短路故障，把短路故障的影響限制在最小范圍。

在計算最大短路電流時，應考慮最惡劣情況，即對應于船舶電站最大負載工況下：

①所有可能并聯連接于主匯流排的發(fā)電機（包括短時轉移負載的發(fā)電機在內）所饋送的短路電流；

②所有可能投入運行的電動機所饋送的短路電流；

為了簡化短路電流的計算，在實際計算中將運行中除大電動機以外的各臺電動機綜合成一臺等效電動機，該等效電動機饋送的短路電流等效于上述各臺電動機饋送的短路電流之和。

短路計算的結果可用作：

①校核所選用的保護電器的短路接通能力和短路分段能力。

②校核匯流排等原件的點動力穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

③為電力系統(tǒng)保護的設計和整定提供依據。

④為在必要時選擇適當的限流設備，以能將短路電流限制在保護電氣的能力范圍之內提供依據。

3 選擇性保護配合

3.1 選擇性保護配合的目的

①當船舶系統(tǒng)發(fā)生短路或者過載故障時，保護設備能將故障系統(tǒng)切除，盡可能的限制故障的范圍，以保證非故障回路供電的連續(xù)性。

②當發(fā)生故障時，保護設備能及時切斷故障回路，將電纜以及設備的損傷降低到最小程度。

3.2 選擇性保護配合的原則

①當發(fā)生故障時，最接近故障點的保護裝置切斷故障電流

②當保護裝置串聯時，各個保護裝置的脫扣時間要適當地進行協調

③因保護裝置帶了延時功能，在其分段之前，保護裝置應能承受得住短路電流

3.3 選擇性保護配合曲線

在做配合曲線時，需對發(fā)電機之間及其以下各級之間的短路選擇性保護參數進行設定，如下為某個項目采用ABB DocWin軟件繪制的發(fā)電機進線開關-聯絡開關-690MSB/440MSB變壓器饋線開關的時間電流配合曲線。黑色曲線為發(fā)電機，綠色曲線為690VAC/440VA變壓器，紅色為690MSB的聯絡開關。并且通過之前短路計算，可以算出系統(tǒng)最小短路電流11.8 kA（藍色曲線）和系統(tǒng)最大短路電流49 kA（粉紅色曲線）。

通過設定，可以保證當變壓器下游側出現過載和短路故障時，690 V/440 VAC饋線保護開關都會先于發(fā)電機進線保護開關脫扣，限制了故障蔓延，保證非故障區(qū)域供電的連續(xù)性。如圖2所示。

4 結 語

隨著船舶電氣化、自動化程度的日益提高，對船舶電力系統(tǒng)的供電可靠性和生命力提出了較高的要求。船舶電力系統(tǒng)在實際運行過程中，由于各種原因可能出現各種故障，它們會使船上電力系統(tǒng)的安全可靠運行受到威脅，影響船舶的安全航行。低壓配電板作為船舶重要電氣設備，它擔負著電力系統(tǒng)實施保護、分配、轉換，它的重要性不言而喻。因此要求配電板的設計安全可靠，才能確保海上更安全的航行。

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