船舶电力系统组成及故障分析
船舶电力系统组成及故障分析
内容摘要
船舶电力系统是在统一控制下船舶的电源及与之相连的电网组成， 并向负载 供电的系统。本文主要介绍了“育鲲”轮电力系统组成及电站自动控制，其中包 括发电机结构和原理、 配电设备的组成和保护功能如主开关的过载短路保护，欠 压保护， 逆功率保护原理；以 PPU 作为核心控制器的船舶电站的自动控制原理和 PLC 的逻辑处理过程。结合轴带发电机工作原理对“育鲲”轮电力系统中出现的 轴带发电机故障造成全船失电进行故障分析， 总结相关故障的原因及解决办法并 取有效措施排除故障。最后对电力系统部分电路提出改进意见。
关键词：
电力系统
自动控制
故障分析
ABSTRACT:
This paper mainly introduces the electrical power system and automatic control system of Yu Kun Vessel of Dalian Maritime University, including the structure and principle of generators, the composition of power distribution equipment and the protection function such as the main switch overload short circuit protection, voltage protection, and inverse power protection. On the other hand, this paper gives a brief introduction to principle of automatic control system of the hydropower station and PLC logical process, with PPU as the core of the controller. Based on the principal of shaft generator in “Yu Kun” vessel, this paper analyze the power failure of caused by the malfunction of shaft generator and summarize the reasons and solutions for this problem. At last it promotes related measures to solve this problem and some suggestions for improvement for certain circuit of power system.
Key words: electrical power system 、automatic control、fault analysis
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目 录
前言 .................................................................................................................................................. 3 1. 船舶电力系统的组成............................................................................................................... 4 2 船舶发电设备........................................................................................................................... 5 2.1 主发电机结构及其工作原理 ............................................................................................ 5 2.2 轴带发电机........................................................................................................................ 7 2.3 蓄电池................................................................................................................................ 7 3 船舶配电设备........................................................................................................................... 8 3.1 主配电盘........................................................................................................................... 8 3.2 应急配电盘....................................................................................................................... 9 3.3 冲放电盘............................................................................................................................ 9 4 配电设备的保护功能............................................................................................................. 10 4.1 主开关的保护功能 .......................................................................................................... 10 4.2 逆功率保护................................................................................................................... 11 4.3 船舶电网的保护.............................................................................................................. 11 5 船舶电站的自动控制............................................................................................................. 12 5.1 发电机自动管理（PPU） ................................................................................................ 12 5.1.1 发电机电压自动调节 .......................................................................................... 13 5.1.2 功率分配............................................................................................................. 14 5.1.3 PPU 控制自动并车 .............................................................................................. 15 5.2 电站 PLC 控制原理 ....................................................................................................... 15 6 “育鲲”轮电力系统故障分析及部分电路改进意见 ......................................................... 16
总结 ................................................................................................................................................ 18
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舶电力系统组成及故障分析 前言
船舶电力系统在船舶上具有极重要的地位， 它是独立的可移动的电力系统， 其系统的可 靠性、连续性、供电品质直接影响到船舶的经济指标、技术指标和生命力。随着船舶吨位的 增大和船舶电气自动化管理程度的提高及科学技术的发展， 船舶电力系统亦有显著的进步和 变化，船舶电力设备日趋完善。 船舶电力系统的自动化是船舶自动化的一部分， 也是船舶现代化的一个重要标志， 随着 船舶的大型化和自动化以及电了信息技术和自动控制技术的不断发展， 船舶自动化程度越来 越高，对船舶电站自动化程度的要求也越来越高。船舶电站自动化是机舱自动化的关键。从 20 世纪 60 年代开始，船舶电站自动化控制历经了从最初的继电器控制及后来的晶体管分 立元件控制的船舶电站自动化系统，到 70 年代的小规模集成电路、中大规模集成数字、模 拟电路控制的船舶电站自动化系统，再由 80 年代的微机处理控制的船舶电站自动化系统， 到 90 年代由 PLC 控制的船舶电站自动化系统，一直发展到现今的集监、控、管于一体的 网络型计算机控制的船舶电站自动化系统。 自动化水平的提高使电站供电的连续性和可靠性提高， 增强船舶的生命力， 提高电站供 电的品质，改善船员的工作条件，减轻值班强度，同时还可以提高船舶运行的经济指标，但 同时对电站管理人员要求越来越高， 只有扎实的掌握系统知识， 加强维护管理才能真正提高 船舶营运可靠性。
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1. 船舶电力系统的组成
EG
220V 应急负载
380V 应急负载 380V 应急负载 G1 24V 冲 放点盘 c DC24V 负载 蓄电池
G2 380V 负载
岸电
220V 负载
G3
380V 负载
SG
首侧推装置
图 1 电力系统简图
船舶电力系统是在统一控制下船舶的电源及与之相连的电网组成， 并向负载供电的系 统。主要由船舶发电设备、电力网、船舶配电设备、船舶用电设备组成。船舶发电设备有主 发电机组、轴带发电机、应急发电机、蓄电池组等；船舶电力网是指电源负载之间的电缆和 电线的总称，其作用是将各种电源与各种负载按一定关系连接起来，可分为动力电网、低压 电网、照明电网、应急电网和小应急电网等；船舶配电设备是对电源发出的电能、电力网、 负载进行保护，分配，转换，控制和检测的设备，包括主配电盘，应急配电盘，分配电盘， 蓄电池冲放电盘等；船舶用电设备即负载如动力装置用辅机、甲板机械、舱室辅机、机修机 械、冷藏通风、厨房设备、照明设备、弱电设备、自动化设备及其他。
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船舶发电设备
育鲲轮采用交流 400V 50Hz 电制， 电站由三台主发电机一台轴带发电机和一台应急发
电机组成，主发电机型号均为 Auxpac 520W4L20 型，无刷励磁同步发电机，额定功率和转 速 520kW×1000 rpm，额定电压 400V，频率 50Hz。轴带发电机是主机厂配套提供的 Leroy Somer 主机轴带发电机，其额定功率 650kW，正常航行时使用轴带发电机即可满足船舶电 网负荷需要。应急发电机型号为 MP-H-200-4，额定功率 249kW，是无刷交流同步发电机， 额定功率和转速 200kW×1500 rpm，可分别用电动及压缩空气二种能源起动。定速及海况 良好航行期间，可采用轴带发电机代替柴油发电机供电；机动航行时，一般采用两台柴油发 电机组供电，轴带发电机为艏侧推装置供电；应急状况下，则由应急发电机供电。 “育鲲” 蓄电池型式为 6F-200 阀控式铅酸蓄电池。
2.1 主发电机结构及其工作原理
接线箱
励磁装置
励磁定子绕组
定子绕组
励 磁 机 转 子 绕 组
旋转 整流器
发电机励磁绕组
轴承
风扇
定子绕组
励磁定子绕组
图 2 发电机结构简图 无刷同步发电机是由同轴的两台交流发电机构成。 右半部分为直流励磁绕组在定子上的 转枢式励磁机，左半部分为励磁绕组在转子上的转极式主发电机和通风叶片。
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图 3 发电机原理图 G1 发电机定子绕组， G2 发电机转子绕组，G3 励磁机转子绕组，G4 励磁机定子绕组，V2 旋转整流器，L1 谐振电抗器，C 谐振电容组，T4 补偿电流互感器，T6 整流变压器，T1T2T3 电流互感器，A1 可控硅电压自动调节器及功率组件（全波整流电路） ，U 过压保护模块。 发电机由主机、励磁机及励磁装置三大部分组成。 如图所示发电柴油机带动发电机转轴转动时，转子利用剩磁在定子中产生剩磁电压，经过 L1 谐振电抗器，C 谐振电容组被谐振放大，送至 T6 整流变压器，经过 A1 可控硅电压自动 调节器经过其整流后变成直流电，送至 G4 励磁机定子绕组，为励磁机提供电流，当 G4 得 到直流电后产生磁场， G3 励磁机转子绕组切割磁感线感应出交流电势。此交流电由经过 V2 旋转整流器、U 过压保护模块变为直流通入 G2 发电机转子绕组为主发电机励磁，G2 产生 的磁场因旋转会在 G1 发电机定子绕组感应出三相交流电势即完成发电过程。 整个电压建立过程既是一个正反馈过程，发电机启动依靠发电机剩磁建立端电压端电 压建立后又被引入到励磁装置中， 使励磁机的定子绕组励磁电流加大， 以加强发电机的磁场， 因此，发电机端电压逐步升高，正常运行。
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2.2 轴带发电机
育鲲轮主机轴带发电机是主机厂配套提供的 Leroy Somer 主机轴带发电机， 其主要参数 有： 额定功率：650kW； 额定转速：1500 r/m； 额定电流：1173A； 电制：AC/3φ /400V/50Hz。 由于主机转速 170 r/m，因此设有增速驱动齿轮箱，以满足轴带发电机转速要求。 轴带发电机原理
MIAN FIELD
Aux.windings
STATOR
Armature Field
图 4 轴带发电机原理图 如图所示“育鲲”轴带发电机是无刷励磁发电机，发电机由励磁装置和发电机两部分组 成。 励磁装置是由 R449 型发电机自动电压调节器控制，其工作原理为励磁定子绕组由永久 磁铁提供固定磁场，转子绕组旋转时感生出三相交变电动势。R449 的电压自动调节器是由 两个独立于电压检测回路的辅助绕组供电， 电源电压经整流和滤波后被送入 AVR 的可控硅， AVR 监视发电机的输出电压并通过调节励磁电流来调节发电机的输出电压。 “育鲲”轮的轴带发电机属于变螺距普通式，无恒频调节功能，因此发电机的频率会随 原动机转速波动而波动。由于主机功率相对于主发电机的功率大，主机虽然是定转速，但存 在一定的转速波动，因此该轴带发电机不能与主发电机长期并联运行。
2.3 蓄电池
蓄电池在船上的主要用途有作为临时应急电源或备用电源，应满足向应急负载供电至少 30min 的要求，作为柴油应急发电机组的启动电源、报警系统电源、船内通信系统电源、主 发电机充磁电源等。
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“育鲲”轮采用蓄电池型式为 6F-200 阀控式铅酸蓄电池，电压容量为 12V/200AH，电解 液密度 1.295g/ml，排放压力 19-23KPA。安放位置：驾驶台甲板电池间 、 船长甲板蓄电池 间 、二甲板电工间。
3 船舶配电设备
船舶配电设备是整个电站的枢纽，主要功能有电力系统数据的显示、检测和调整，对电 力系统故障的保护，自动控制切换用电设备。包括主配电盘、应急配电盘、充放电盘、岸电 箱等。
3.1 主配电盘
图 5 主配电盘单线图 ‘ ‘育鲲”轮主配电盘由 3 台主发电机屏、1 台轴带发电机屏、同步并车控制屏、首侧推 及岸电控制屏、4 个 AC380V 负载电源控制屏、4 个组合负载起动控制屏、2 个 AC220V 负 载电源控制屏组成。 主配电板上有 1、2、3 号汇流排，其中 1 号汇流排还分为 1A、1B 中间有隔断开关通常情 况下它是闭合的， 它的作用是汇流排短路或机械变形时起隔离作用， 以便检修或更换故障部 件。1A 汇流排由 1、2 号发电机供电，并向 1、2 号 380V 负载屏控制的负载提供电力，1B 汇流排由 3 号发电机和岸电供电，也有两个 380V 负载屏。2 号汇流排由轴带供电，通过主
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开关 7ACB 与 1B 相连， 从而在定速航行时向全船供电， 2 号汇流排仅有一个负载即艏侧推。 3 号汇流排是由 1A、1B 经主变压器供给的 AC220V 电，负载主要包括 220V 照明
3.2 应急配电盘
V SW 4
A SW
P Hz
H
M
AC380V负载 屏 IRM 4
V SW 5
A SW
AC220V负载 屏 IRM 5
M M
M
#1应急变 压器
EG
图 6 应急配电盘单线图
#2应急变 压器
应急配电盘上有 4 号、5 号汇流排，4 号汇流排由由应急发电机供电供，供应 380V 应急负 载。5 号汇流排由 4 号汇流排经应急变压器变压供应 AC220V 交流电，1、2 号应急变压器， 有互锁装置。
3.3 冲放电盘
“育鲲”在平台电工间、 驾驶甲板电控间分别设有冲放电板如图
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驾驶甲板 2CHP
电控间
自动转换 SA
自MSB #3 380V 自ESB LNP 备用
CJPF96/ N SC
馈电屏 馈电屏 驾驶甲板
380V
低压助航分电箱 #22 电力分电箱 22P
通用报警逆变器（船员）
CJPF96/ N SC
CO2 施放报警控制箱 防火风闸控制电源 防火风闸控制电源 防火风闸控制电源 防火风闸控制电源 UP1 航行灯逆变器
备用
图 7 冲放电盘系统图 船舶小应急照明、 操纵仪器和无线电设备的电源均采用蓄电池， 船舶设置充放电板对蓄电池 进行充电、放点，实现向用电设备供电。
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配电设备的保护功能
4.1 主开关的保护功能
发电机的外部短路会产生巨大的短路电流，对电气设备、电网、电机都会产生巨大的损 害，甚至发电机跳闸，引起全船失电。其保护原则要兼顾保护电机和不中断供电两方面。所 以一般设有短路短延时和短路瞬时动作保护。 “育鲲轮”主要由主开关的跳闸来实现短路保 护， 只不过两种跳闸的整定电流不同,短延时整定电流为 2.5 倍额定电流延时时间设定为 0.4s， 瞬时脱扣整定值为 6 倍额定电流瞬时脱扣的最大设定时间为 20ms，最大分断时间为 50ms； 过载保护也要兼顾机损和不中断供电两方面， 从外部系统看， 当多台电机同时启动启动电流 可能超过额定电流， 而此时过载保护却不应立即动作， 应避开这种现象所以一般要求过载保 护动作时间大于 10 s， “育鲲”轮主开关的长延时脱扣的始动电流最小为 0.60 倍额定电流， 最大为 0.90 倍额定电流，延时时间设定为 20s。 当发电机由于励磁失败，原动机故障造成的电压下降会对电气设备产生不利影响，因此 主开关对此进行相应的保护，其动作值，延时时间均可调，
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