武警海警總隊第五支隊 杭太貴

船舶電力系統(tǒng)一旦發(fā)生短路故障，會直接影響到船舶航行的穩(wěn)定性。因此，穩(wěn)定的船舶電力系統(tǒng)是確保船舶穩(wěn)定航行的重要前提條件之一。本文圍繞船舶電力系統(tǒng)展開相應(yīng)的研究，歸納可能出現(xiàn)的短路故障情況，并提出一些提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的策略。

進入21世紀(jì)以來，船舶電力自動化水平得到了快速提升，船舶電氣設(shè)備對穩(wěn)定供電的要求越來越高，船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性已經(jīng)成為保護船舶安全航行的重要助力。因此，針對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進行相應(yīng)的研究意義重大。在影響船舶電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性的眾多因素中，短路故障不僅經(jīng)常出現(xiàn)，而且每次出現(xiàn)都會造成不小的影響，如何解決短路問題已經(jīng)成為船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中的主要關(guān)注點。

1 船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

1.1 船舶電力系統(tǒng)界定

船舶電力系統(tǒng)由船舶供電及船舶用電兩個部分所組成，前者的作用是發(fā)電、配電，后者則是船舶上所有需要用電的設(shè)備總稱。船舶電力系統(tǒng)就是船舶的血管與血液，保證整個船舶的正常運行。隨著船舶工業(yè)的迅猛發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)也體現(xiàn)出自動化、大型化的特點，不但能保障船舶的正常航行，還能減輕船員的工作負(fù)荷，提高他們的工作、生活條件。保證船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定是船舶建造與航行的基礎(chǔ)工作及重要工作之一。船舶電力系統(tǒng)的特點主要體現(xiàn)在這樣幾個方面：

特點一：船舶電力系統(tǒng)的容量普遍偏小。船舶發(fā)電機單機容量通常都在一千千瓦以下，總?cè)萘恳膊贿^幾十萬到一百萬千瓦，而且船舶電網(wǎng)都是獨立運作的，船舶與船舶之間無法形成聯(lián)網(wǎng)運行。這與陸上發(fā)電機組單機容易就達十幾萬千瓦，總?cè)萘縿虞m超千萬千瓦，各電廠之間大多實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)運行進而構(gòu)造了一個龐大的系統(tǒng)有著天壤之別。一旦船舶中的大型負(fù)載突加突卸時，船舶電網(wǎng)都會受到巨大的沖擊；如果電力系統(tǒng)發(fā)生短路或操作失誤時，不但會影響發(fā)電機組停止工作，還有可能造成全船停電，威脅到整條船舶上人與物的安全。所以，在設(shè)計船舶電力系統(tǒng)時，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著特別高的要求。

特點二：船舶電力系統(tǒng)的輸電網(wǎng)絡(luò)相對較短。船舶的面積是相當(dāng)有限的，這就使得船舶整體的輸電距離不會太長，也不需要特別大的輸電容量，所以船舶上通常不會配備高壓輸電，以減少電能損耗。與此同時，船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電機組及所有用電設(shè)備的電壓都較低，很少配備變壓器。而且，因為船舶整體空間緊湊，用電設(shè)備大多集中在一起，輸電線路基本都控制在兩百米以內(nèi)，這使得船舶電力系統(tǒng)的保護裝置很少，所以要求整個電力系統(tǒng)具有更好的協(xié)調(diào)配合度。

特點三：船舶電力系統(tǒng)的整體壽命較短。江河湖海是船舶的工作環(huán)境，不穩(wěn)定、惡劣的自然環(huán)境對電力系統(tǒng)的損耗極大。長期與水、濕氣接觸，電力系統(tǒng)的絕緣性能會受到影響、金屬部件容易腐蝕，波浪等眾多因素的沖擊、振動也容易造成電力系統(tǒng)接觸不良，這對船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。

1.2 船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性

當(dāng)船舶電力系統(tǒng)受到內(nèi)外部因素的擾動后仍然能夠保持正常工作的能力就是船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性強度，船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是保證船舶正常安全航行的必要前提。

船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩個方面的內(nèi)容：靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。前者指的是受到小干擾的電力系統(tǒng)能否保持穩(wěn)定性，能保持穩(wěn)定就說明系統(tǒng)具有靜態(tài)的穩(wěn)定；后者指的是受到某一特定大干擾后的電力系統(tǒng)能否保持穩(wěn)定性，能保持穩(wěn)定就說明系統(tǒng)具有暫態(tài)的穩(wěn)定。突加突卸負(fù)載、電力系統(tǒng)的意外短路、大型用電設(shè)備工作等都屬于特定大干擾。

因為船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性更多的是體現(xiàn)在船舶航行過程中大干擾，因此針對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究主要是針對暫態(tài)穩(wěn)定進行的。

2 船舶電力系統(tǒng)短路故障的影響

2.1 船舶電力系統(tǒng)短路的危害

船舶電力系統(tǒng)由正常電力系統(tǒng)和應(yīng)急電力系統(tǒng)兩部分組成，后者是前者正常工作的一個補充與保障。由于船舶電力系統(tǒng)總?cè)萘啃?、輸電網(wǎng)絡(luò)短、外部影響多等特點，使得一個小小的元件故障都有可能會影響到整條船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給船舶的安全運行帶來安全問題。

船舶電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，會出現(xiàn)短時的大沖擊電流，電流沖擊時間雖然不長但卻會給整個電力系統(tǒng)帶來巨大的沖擊與損害，如果保護裝置動作不快還會帶來一系列的后續(xù)損害和問題。而且，穩(wěn)態(tài)短路電流如果過大也會損壞船舶用電設(shè)備。短路故障特別嚴(yán)重時，甚至?xí)斐纱暗碾娏ο到y(tǒng)全部癱瘓，供電完全中斷，如果在惡劣天氣航行過程遇到這種情況，有可能會造成船毀人亡的重特大事故。

因此，構(gòu)建高穩(wěn)定性的船舶電力系統(tǒng)，對短路電流實現(xiàn)有效、及時的限制，盡可能減少短路故障對于船舶的安全航行意義重大。

2.2 船舶電力系統(tǒng)短路故障的原因

正如前文所述，船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性對整個船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響不大，因為它能夠在干擾后迅速回歸正常電力狀態(tài)，在研究分析船舶電力系統(tǒng)短路故障原因時，主要是針對暫態(tài)穩(wěn)定性進行的。具體來看，船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響因素主要有如下幾點：其一，船舶電力系統(tǒng)自身出現(xiàn)的短路故障；其二，突加、突卸大負(fù)載極易引發(fā)船舶電力系統(tǒng)的波動。

3 提高船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的對策

3.1 及時有效地切除故障源

提高船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性最關(guān)鍵的措施在于及時有效地切除故障源。只要能夠及時地發(fā)現(xiàn)并切除故障源，就能夠防止因為故障原因造成發(fā)電子轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩變化，發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度不會變化也就不會改變電網(wǎng)頻率。

與此同時，及時有效地切除故障源能夠保證電力系統(tǒng)發(fā)電機穩(wěn)定的端電壓，從而提高所帶負(fù)載的穩(wěn)定性，保證發(fā)電機輸出功率的最大化。實際上，當(dāng)前船舶電力系統(tǒng)大多引進了自動空氣斷路器，能夠做到及時有效地切除故障源。

3.2 實現(xiàn)發(fā)電機強行勵磁

所謂的發(fā)電機強行勵磁指的因船舶電力系統(tǒng)故障而引發(fā)的發(fā)電機端電壓下降時，勵磁系統(tǒng)會在端電壓低于額定電壓時主動進行勵磁調(diào)節(jié)，通過增加勵磁的方式提高發(fā)電機電磁輸出功率，并實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的提高。

實際上，只要電力系統(tǒng)發(fā)生了故障，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)就會開始勵磁調(diào)節(jié)，實現(xiàn)勵磁電壓的最大化，從而對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定發(fā)揮巨大的作用，使整個船舶的電力系統(tǒng)保持在暫態(tài)穩(wěn)定的極限值，讓那些正常的負(fù)載能夠獲得穩(wěn)定的電流并正常工作，不至于因故障的發(fā)生而導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)崩潰。因此，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)對于維持船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用是十分明顯的，因為較高的勵磁電壓能夠有效地增大發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流。

與此同時，勵磁系統(tǒng)的作用還能在這樣幾個方面得到體現(xiàn)：首先，能夠控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子的最大電流值，將其限制在一定的范疇之內(nèi)；其次，能夠控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子，限制其過載時的效電流值；最后，在能夠?qū)崿F(xiàn)強行勵磁功能的同時，還能夠強行減磁?？偠灾?，發(fā)電機勵磁自動調(diào)節(jié)裝置對于船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高具有重要作用。

3.3 分級卸載負(fù)載

船舶電力系統(tǒng)的電網(wǎng)負(fù)載與陸地上的無限電網(wǎng)不同，是有額定負(fù)載的。一旦電網(wǎng)額定負(fù)載被超過，就要分級自動卸載那些次要負(fù)載，以保證發(fā)電機不因持續(xù)過載而造成短路，這能夠極有效地提高船舶電力系統(tǒng)的暫存穩(wěn)定性。發(fā)電機輸出電流的過載信號是船舶電力系統(tǒng)自動分級卸載的關(guān)鍵信號，只要電網(wǎng)中運行設(shè)備的負(fù)載超過額定負(fù)載時，就要按級別一次或多次把次要負(fù)載分級卸載，強行將其退出電網(wǎng)，以保證那些重要負(fù)載始終能夠得到持續(xù)穩(wěn)定的供電。

3.4 分級啟動負(fù)載

船舶電力系統(tǒng)發(fā)生故障停止工作后，一旦修復(fù)恢復(fù)供電時，如果所有用電同時啟動就會帶來巨大的啟動電流，這對船舶電力系統(tǒng)而言又是一次沖擊和考驗。為了減少因過大啟動電流對整個電力系統(tǒng)的影響，就必須采取分級啟動負(fù)載的方式，按用電設(shè)備的重要性來確定啟動的順序及啟動的間隔時間。通常情況下，用電設(shè)備啟動的間隔時間大多控制在3～6s。

3.5 運用數(shù)學(xué)物理建模方法

隨著各種自動化數(shù)字技術(shù)的發(fā)展與運用，船舶設(shè)計與駕駛中也引進了機械、電氣及航海雷達等技術(shù)，這就對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性要求更高了，要求電力工程師在設(shè)計電力模塊時，既要考慮到電力系統(tǒng)的常態(tài)穩(wěn)定性，還要考慮到新進模塊動態(tài)的特殊要求。數(shù)學(xué)物理建模方式的引入，可以實際模擬船舶電力系統(tǒng)可能遇到的問題，并建模找到科學(xué)可行的最佳解決方案，使因電流不穩(wěn)定等因素引發(fā)的船舶電力系統(tǒng)短路故障及時得到解決，將可能的損失降到最小。

船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性提高的數(shù)學(xué)物理建模主要圍繞發(fā)電機展開。船舶發(fā)電機主要包括電力發(fā)生裝置和電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)兩部分，現(xiàn)有的發(fā)電機的設(shè)計原理基本都是法拉第電磁發(fā)生原理，必須要注意的就是減少磁化現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而不干擾羅盤及航海雷達等設(shè)備。

同時，提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性關(guān)鍵是保護電路的穩(wěn)定電阻，在設(shè)計穩(wěn)定電阻時必須遵循的幾個規(guī)程和原則是：其一，合理均衡的設(shè)計負(fù)載，通過串聯(lián)、并聯(lián)方法的合理運用，保證電阻負(fù)載的合理性，對于提高船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性效果明顯；其二，設(shè)計發(fā)電機應(yīng)急機制。要運用數(shù)學(xué)物理建模的方式，提前模擬船舶電力系統(tǒng)可能的故障情況，并提前設(shè)置應(yīng)急機制加以預(yù)防。

結(jié)論：目前，國內(nèi)外運輸大型設(shè)備和人員的客貨兩用水上運輸工具就是船舶，在海洋經(jīng)濟發(fā)展速度不斷加快的今天，船舶運輸發(fā)揮了越來越大的作用。船舶在海洋中航行時安全是最重要的，為了能夠提高海洋船舶航行的安全性與穩(wěn)定性，就必須加強船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計，盡量減少船舶電力系統(tǒng)短路故障，使船舶的每一次海洋航行都是安全、穩(wěn)定、可靠的。