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船舶电力
船舶电力
§1-1船舶电力系统概况
v一、系统的组成及特点
v
(一)船舶电力系统的组成
v由电源、配电装置、电力网和负载四部分组成。
v1.电源
v将其它能量转换成电能的装置;主要由发电机组和蓄电池组组成。
v2.配电装置
v
(1)定义:
接受和分配电能,对电源、电力网和负载进行保护、监视、测量和控制的装置。
v
(2)组成:
各种转换和控制开关、互感器、测量仪表、连接母线、保护电器、自动化装置及各种附属设备等。
v(3)分类:
A.总配电板(一级),动力配电箱、照明配电箱(二级);B.应急配电板;C.充放电板。
v3.船舶电力网
v船舶输电电缆和电线的总称;由动力、照明、应急、低压和弱电等电网组成。
v4.负载
v将电能转换成其它形式能量的装置;种类。
v
(二)船舶电力系统的特点
v1.容量小(多为2~3台小容量柴油发电机),电压、频率易波动(易全船停电)。
v2.输电线路短(短路电流大)。
v3.环境恶劣:
要能在潮湿、盐雾、油雾和霉菌的环境和在规定的船舶倾斜、摇摆、振动和冲击等条件下可靠的工作。
v二、系统的基本参数
v1.电流种类—电制
v50年代前用直流;现代用交流。
v2.额定电压
v我国限定电压500V(非电力推进船舶);动力:
电源(发电机)400V(美日440V),负载380V;照明:
电源(变压器)230V,负载220V。
v3.额定频率我国50Hz,美日60Hz。
§1-2电站容量与发电机组数量
v一、确定电站容量和选择发电机组数量的基本原则
v1.船舶的运行工况
v2.确定电站容量的基本原则
v电站容量以实际用电量最大的运行工况为基础来确定。
v确定船舶电站容量的原则是:
v应能满足船舶在各种运行工况下的用电量并有适当余量。
v3.发电机组容量和数量的选择原则
v二、电站容量的计算
v利用有关理论和统计计算
v选择发电机组容量和发电机组台数时,应考虑机动、寿命和维修等选发电机的基本原则;考虑计算的各运行工况的总功率,还要考虑cosφ=0.8的无功容量。
§1-3主机轴带发电机装置
v一、轴带发电机的特点
v要点:
充分利用主机功率储备裕量,实现节能;主机烧重柴油,其发电成本降低;系统控制环节多,管理复杂。
v二、船舶轴带发电机主要类型
v1.直流轴带发电机(很少)
v2.交流轴带发电机(分:
可变螺距螺旋桨的主机型式;定螺距螺旋桨的主机型式)
v三、变螺距螺旋桨式
v主轴转速与转向恒定;主机转速低、主机与轴发间设增速齿轮;例:
齿轮比为1:
10、f=50Hz、n=150r/min、则P=2;一般轴发和备用柴发P相同。
v四、定螺距螺旋桨式(主要)
v主轴转速与转向可变;通过转速补偿装置使发电机电压和频率稳定。
v主要是:
整流—逆变作中间环节的(晶闸管)轴带发电机系统。
v五、轴发工作对主机的转速有限制,因此还要设辅助柴油发电机组。
v补充:
晶闸管轴带发电机系统
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v一、组成
v1.轴带发电机1(SG)、晶闸管整流器2、直流平滑滤波电抗器3、晶闸管逆变器4和交流电抗器5构成主回路有功通道。
变压器11和晶闸管整流器7是轴带发电机励磁电流调节电路。
轴带发电机(三相逆变器)提供有功功率。
v2.具有自动调压器(AVR)的调相机(也称同步补偿机SC)6为无功通道。
同步补偿机提供无功功率。
v3.控制(频率和逆变角)器8调节和控制系统频率和有功功率。
v二、起动
v当船舶离港进入正常航行工况(如公海)后,主机转速达到要求时,可投入轴带发电机系统。
v1.接通控制系统的电源;
2.检查起动条件,当系统无故障报警和车钟在大于最小转速(>75%额定转速)位时,允许起动调相机(发出允许起动信号);
v3.按下异步电动机的起动按纽(或自动控制起动),带动调相机(同步补偿机)起动,并建立电压;
v4.检查调相机建立正常电压后,接通轴带发电机的励磁电路,发电机起压空载运行;
v5.给整流器、逆变器触发脉冲,逆变器开始向调相机输出功率,异步电动机断电;
v6.轴带发电机系统已经具备供电能力,起动成功。
v三、停机
v当船舶需要转入机动工况(如进港等)时,因主机将进行减速、倒车、停车等操纵,轴带发电机应停止工作。
(主要步骤:
1→2→3)
v1.起动柴油辅助发电机组,并切除次要负载;
v2.完成辅助发电机的手动或自动并车及转移负荷,之后才能操作主机减速或倒车;
v3.当主机转速降低到额定转速的40%以下时,轴带发电机励磁终止,主开关跳闸,逆变器停止触发,轴带发电机终止发电。
§1-4船舶配电板
v一、主(总)配电板
v由发电机控制屏、并车屏、负载屏及连接母线等组成。
v1.发电机控制屏
v作用:
控制、调节、监视和保护发电机组。
v组成:
上部为测量仪表[电流表(测线电流)、电压表(测线电压)、频率表、功率表、功率因数表和仪用互感器]、转换开关和指示灯等;中部为主开关(含逆功率继电器)、指示灯等;下部为自励恒压装置。
v2.并车屏
v主要有同步表、同步指示灯等。
用作交流发电机并车操作。
v3.负载屏
v用来分配电能并对各馈电线路进行控制、监视和保护。
v组成:
主要有装置式自动开关、绝缘指示灯、兆欧表、与岸电箱相连的岸电开关等。
包括动力负载屏和照明负载屏。
v主配电盘直接供电(提高重要负载供电的可靠性)的设备:
舵机、锚机、消防泵、航行灯、无线电电源板、电罗经、电航仪器电源箱、苏伊士运河灯等部分重要负载,还有空压机、锅炉鼓风机等大容量负载。
其中舵机和航行灯采用两路供电、一路经应急电盘。
v4.汇流排(母线)
v用来汇集和分配电能;排列颜色:
交流A、B、C分别为绿、黄、褐或紫,中线为浅蓝;直流正、负为红、蓝;按从上到下、从左到右、从前到后排列。
(中间)
v二、应急配电屏
v作用:
用来控制和监视应急电源工作情况,并合理分配应急电源。
v组成:
应急发电机控制屏和应急负载屏(同主配电屏),无并车屏(无整步表、同步指示灯)和逆功率保护。
v主、应急配电屏关系:
应急电网平常由主配电屏供电,其联络开关对应急电屏进行电气联锁;主发电机失压应急发电机自动起动,并经应急配电屏经向应急电网供电。
v三、充放电屏作用
v四、区配电板、分配电板
v将从主配电屏输送来的电能向不同区域的用电设备进行配电。
v区:
I>16A分:
I<16A
v五、岸电箱
v船舶停靠码头和进坞时,将岸电接入总配电屏进行分配。
§1-5万能式空气断路器
v概述
v1.分类自动开关(又叫空气开关、断路器)分为:
v塑料外壳式(装置式),用DZ表示,作分路或负荷开关;
v框架式(万能式),用DW表示(陆用DW10为主,船用DW—94、95、98、AH等),作总开关。
v2.船用万能式自动空气断路器
v
(1)组成
v触点系统、灭弧装置、自由脱扣机构、操作传动机构和保护元件(脱扣器)等。
v
(2)用途
vA.开关作用:
通断主电路,也可以通过分励按纽进行远距离断电操作;
vB.保护作用:
短路、过载和欠失压时自动切断主电路。
v一、触头系统(见图1)
v由主触头(断先、通后),副触头,弧触头(带电通断:
通先、断后)组成,都起通断主电路的作用;辅助触点通断控制电路。
v二、灭弧装置
v采用磁钢片制成的灭弧栅片:
利用电磁力将电弧吸入栅片,拉
v长、分割成小段和阴极效应(见图2讲)使电弧熄灭。
v三、自由脱扣机构
v作用:
实现操作传动装置与触点系统之间的联系(书图:
恢复四连杆的刚性连接)。
v书图(b)无联系、(c)有。
分闸不能合闸,要经再扣才能合闸(DZ见图3)。
v四、操作传动装置作用:
使触头合闸;
v过程:
使储能弹簧储能,自由脱扣机构达“再扣”,然后利用储能快速合闸;
v种类:
手动操作,电磁或电动合闸。
v五、保护元件(脱扣器)(见书图)概述
v作用:
脱扣器动作使自动开关掉闸。
v种类:
DZ主要是热脱扣器(过载保护)、电磁式过流脱扣器(短路保护),复式脱扣器(短路和过载保护);DW脱扣器:
v1.电磁式(DW98采用半导体式)过流脱扣器:
v多个、(电流)线圈串联在主电路中(图1)。
v分瞬时脱扣器:
短路保护;短延时脱扣器:
短路选择性保护;长延时脱扣器:
过载或过载选择性保护。
v2.电磁式失压脱扣器
v(电压)线圈并联在主电路中(图2);欠失压作保护。
v为避免电源电压瞬时波动造成欠压脱扣器误动作,须采用延时跳闸机构。
§1-6发电机的保护
v电站保护的任务:
切除故障电气设备;发出报警信号。
v要求保护元件具有可靠性、选择性、快速性和灵敏性。
v1.可靠性:
保护装置本身必须工作可靠;
v2.选择性:
电力系统,从发电机到负载,应分级设置保护装置,使保护具有选择性;系统发生故障时使离故障电路最近的保护装置动作;其动作电流或动作延时:
短路保护动作整定电流逐级减少、动作整定延时逐级减少。
(DW采用整定时间),DZ(一般采用整定电流)
3.快速性:
对于故障保护电器要求动作快速,以免事故扩大造成损害。
4.灵敏性:
对于故障和非正常状态的反应能力。
v一、外部短路保护
v1.外部短路:
发电机输出电流大大超过额定电流;
v2.要求Id=2(或3)~5Ie、延时0.2(或0.3)~0.6s动作(选择性);Id=5~10Ie、瞬时动作(快速性)。
v3.采用自动开关过流脱扣器(非熔断器)或过电流继电器进行保护。
v二、过载
v1.发电机过载:
发电机输出电流(功率)超过额定值;2.(规范)要求过载保护元件
v无分级卸载:
I=1.25~1.35Ie、延时15~20s动作
v分级卸载:
I=1.1~1.2Ie、延时5~10s卸掉次要负载,I=1.5Ie、延时15~20s动作
v3.采用自动开关(长延时)过流脱扣器或长延时过电流继电器和分级卸载装置进行保护;动作值按发电机电流设定。
v三、欠压保护(对发电机和运行的电动机保护)
v1.欠压原因危害:
电动机过流或堵转,其它负载不能正常工作。
v2.要求发电机跳闸
v带时限U=70~80%Ue、延时1.5~3s;不带时限U=40~70(或50~60)%Ue、瞬时。
v3.采用自动开关欠压脱扣器或欠压继电器进行保护
v四、逆功率保护(保护发电机组)
v1.逆功率保护的性质
v
(1)原因:
并联运行的发电机,若一台发电机的原动机发生故障使转矩消失,则发电机进入电动机状态,拖动原动机转动从电网吸收功率即逆功率,另外并车操作未能满足并车条件也出现逆功率。
v
(2)危害:
正常运行的发电机严重过载跳闸。
(3)要求:
P=-5~-15%Pe、延时1~10s(防并车时短暂逆功率)逆功率继电器跳闸。
v2.逆功率继电器
v
(1)GG—21型感应式逆功率继电器原理:
电流线圈的磁场和电压线圈的磁场穿过铝盘组成一个移位磁场,铝盘感应形成幅射状电流,在磁场中受力作用而转动,永久增铁起阻尼作用。
输出功率铝盘带动触点向断开处转动,但被挡块挡住,逆功率铝盘带动触点闭合,使自动开关跳闸。
改变电流线圈匝数可改变动作值,改变挡块位置可改变延时。
v接线:
电压线圈接B、C相,电流线圈接C相。
v
(2)整流式逆功率继电器装置
v(3)晶体管式逆功率继电器装置
§1-7发电机的并联运行条件与分析
v一、并联运行的必要性
v1.发电机容量合理利用:
少负载开一台,多负载开两至三台。
v2.便于对发电机的维护管理:
多台机可以轮流进行保养和维护。
v二、并联运行的条件:
电压、频率、初相相同,相序一致。
v三、频率和初相位相同,电压有效值不同:
(环流的均压作用)
v1.两机电压不等在两机间形成环流(见书图)。
v2.环流使电压高的发电机产生去磁电枢反应、电压降低,电压低的发电机产生增磁电枢反应、电压升高,结果使两机电压相等。
v3.要求:
ΔU<10%Ue(电抗小,一定的电压差产生很大的冲击环流)。
v四、频率和电压相同,相位不相同:
自整步作用
v1.自整步作用
v2.要求:
-15°<δ<15°
v相差太大(180°最大),两机间产生冲击电流和冲击力矩,不能牵入同步,且产生振荡(转子相对摆动),导致逆功率跳闸,甚至损坏绕组。
v五、并车时电压和相位相同,频率不相同
v1.频率不同两机具有相位差δ=2л(f2-f1)Δt和电压差,具有自整步作用。
v2.要求:
-0.5Hz<Δf<+0.5Hz(T=1/Δf)
v频差小自整步作用使两机牵入同步,频差大无法牵入同步。
v六、相序不一致
v引起很大的环流烧坏发电机,该条件一般可满足,航行并车不必检测。
v七、合闸:
v最理想是待并发电机的电流为零时。
并车时任何一个条件不满足都会产生冲击电流,相位和频率条件不满足还会产生冲击转矩。
1-8手动并车整步原理与方法
v概述:
v1.准同步并车法:
观察和调整发电机的电压、频率和初相位,使之完全满足并车条件后并车。
v2.手动准同步并车法:
依靠操作人员观察、判断进行并车操作;
v自动准同步并车:
依靠自动装置完成并车。
v3.调压器可保证电压条件,并车时只要调整待并机的频率和相位
v一、灯光法(同步指示灯法)
v1.灯光明暗法(暗灯法)
v
(1)电路
v
(2)性能
vA.灯光很亮说明待并机与电网相位差很大、熄灭说明相位差很小或为零,灯光明暗度说明相位差的大小;
vB.灯光明暗变化快说明频差大、慢说明频差小。
v(3)合闸
v调待并机的调速开关(即调油门),使灯光明暗变化慢(周期为3~5秒),灯光熄灭后(接近灯暗区中心)(ΔU为30%Ue灯灭),合闸并车。
v(4)缺点
v灯光明暗不能说明f2是快还是慢。
v2.灯光旋转法(亮灯法)
(1)电路
v
(2)性能
vA.f2>f1:
三灯熄灭的顺序为L1→L2→L3→L1,f2<f1:
三灯熄灭的顺序为L1→L3→L2→L1;
vB.灯光明暗旋转快说明频差大、慢说明频差小,L1灯光明暗度说明相位差的大小。
v(3)合闸
v调待并机的调速开关:
f2快减速、f2慢加速,使灯光旋转慢(周期为3~5秒),熄灭的顺序为L1→L2→L3→L1(快向、顺时针,防逆功率),接近L1灯熄灭区中心,合闸并车。
v二、同步表法
v1.并车操作
v
(1)当同步表指针指快向、调待并机调速开关减速,当同步表指针指慢向、调调速开关加速。
v
(2)当指针指快向(顺时针)旋转,转速慢(周期为3~5秒),指针在红点前10°~15°即11点钟位置(开关惯性)合闸,待并机牵入同步。
v2.性能
v
(1)并车后同步表应断电(15分钟短时工作制)。
v
(2)接线要正确,转子应接电网AB相。
v3.目前大多数船同时采用同步表法和灯光明暗法。
v三、电抗器粗同步并车原理
v1.特点:
基本满足并车条件:
调节待并机频率(条件同准同步),观测电压差别不大,不考虑相差(最好δ<90°)。
先在待并机和电网间接入一个电抗器(短时工作制、空心线圈),限制冲击电流(I=1.2~1.4Ie)和冲击转矩,牵入同步(电抗器不能太大:
要有足够的环流),然后合闸、自动延时切断电抗器。
v2.电路原理:
(讲)设G1为运行机,G2为待并机。
v按下SB2→KM2通电→辅触点闭→自锁→限流
v→主触点闭→G2与电网接电抗器LS→牵入同步
v→KT2通电触点延时闭→KM4通电触点闭→DW2通电→a
va→辅触点断→KM2、KT2、KM4断电触点复原
v→主触点闭空气开关合闸(线圈通电合闸,断电无影响)
v四、并车失败的原因:
v1)电网电压、频率波动太大;
v2)空载并车;
v3)并车操作不当;
v4)未能及时转移负载。
v五、直流发电机并车(补)
v1.条件:
电压相等(检测仪表仅电压表)、极性相同。
v2.并车:
起动待并机→调励磁使电压稍高于电网电压(防逆电流失、反磁跳闸)→按下合闸按纽→增加并入机励磁减少运行机励磁转移负荷。
v3.解列:
增加留用机励磁,同时减少解列机励磁(两机的电动势一增一减)(只增或只减一机励磁、负荷分配改变、电网电压增加或减少)到负荷电流为零、再按下脱扣按纽。
v4.为保证负荷动态分配的均匀及并联运行的稳定性,直流复励发电机必须设均压线(励磁部位)。
§1-9自动准同步并车原理
v一、自动准同步并车原理
v1.性能:
利用自动并车装置检测和调整待并发电机的电压、频率和相位,使之满足并车条件,向合闸机构发出信号,使主开关合闸。
v2.基本功能
v
(1)能检测待并机电压和频差,并且能自动调节;
v
(2)有一个门电路,当满足合闸条件时发出合闸信号(不满足条件实现闭锁);
v(3)能保证合闸提前时间等于主开关固有时间:
使合闸瞬间电压、相位一致,达到准确同步目的。
v3.组成:
分合闸、调压和调频三部分。
v二、自动整步器(略)。
§1-10船舶应急发电机组
v一、应急电源
v1.设应急电源的条件:
客船及1000总吨或500吨以上货船。
v2.作用:
当主电源因故障不能继续正常供电时,立即向船舶一部分用以保证船舶安全的用电设备继续供电;其功率应充分供应上述设备的用电。
v3.组成:
应急发电机组及应急配电板和应急蓄电池组及其充放电板或之一。
v大应急发电机(组),供电时间:
国际航线的客船为36h.
v小应急为蓄电池组,供电时间为30min.(小应急在大应急有故障时或起动过程中投入,用来保证最必须的用电设备不致断电而设置)
v4.应急电源供电范围
v1)航行灯及国际海上避碰规则、所规定的其它各种信号灯;
v2)白昼信号探照灯及无线电测向仪,无线电台(按国际航行要求);
v3)各通道、梯道出口处的应急照明,每个登艇处的应急照明,救生艇、筏、救生浮贮存处的照明。
v4)机舱主机操纵台、锅炉水位表、气压表、总配电盘前、应急发电机室、舵机等处的照明;
5)驾驶室、海图室、无线电室、消防设备控制站的照明;
6)船员、旅客公共舱室的照明;
7)紧急集合报警装置;
8)电动应急消防泵;
v9)固定式潜水舱底泵;
10)无线电设备和通用报警器;
11)舵机。
二、应急发电机组要求:
1.与主电源的联锁关系:
主电源正常供电,应急电源不能投入;主电源失压,应急电源自动投入;小应急在大应急投入前投入(供无线电和应急照明),大应急投入后自动退出;主电源供电大应急立即退出。
2.应急配电盘由独立馈线经联络开关与主配电盘联接,应急电网平时由主配电盘供电。
3.主电网失电,主配电盘与应急配电盘联络开关自动断开(先),应急发电机应在30s内自动起动,主空气开关自动合闸(后)投入供电;主电网恢复供电,联络开关自动闭合。
三、应急发电机的自起动控制装置(略)
§1-11船舶蓄电池装置
v种类:
v酸性蓄电池:
历史悠久、用途广泛、价格低廉、船上多用,外壳不带电;
v碱性蓄电池:
工作电压平稳、可大电流放电、机械强度高、使用寿命长,但价格较高。
v一、酸性蓄电池基本结构和工作原理
v1.组成
v1)容器2)极板3)隔板(见书)
v
2.工作原理
v二、碱性蓄电池
1.组成:
容器、极板和活性物质等。
2.工作原理(电解液为KOH、充放电比重不变)
v负极正极负极正极
v3.每个蓄电池的电动势一般为1.25V,放电毕为1~1.2V,充电毕为1.4~1.8V。
v三、蓄电池的容量
vQ=It单位:
安时(Ah)
v酸性蓄电池以10h为标准放电(例200Ah:
20A、放电10h);
v碱性蓄电池以8h为标准放电。
v四、充电
v1.充电种类:
v1)初充电:
新的和长期库存的蓄电池充电;
v2)经常充电:
正常充电;
v3)过充电:
补充经常充电的不足极板硫化原因:
长时间充电不足、过放电;措施:
按时过充电、定期全容量放电。
v2.充电方法:
v1)充放电制:
恒流充电法(碱性常用),恒压充电法,分段恒流充电法(酸性常用、可延长寿命)。
v2)浮充电法:
整流充电设备处于经常工作,电源、蓄电池、负载保持接通,一可为负载供电、还可为蓄电池充电。
v五、比重(酸性)
v充电毕比重(大):
1.275~1.300,极限电压2.4V(正常额定2V)
v放电毕比重:
1.150~1.180,极限电压1.7V(约为90%额定电压)
v电压:
E=0.84+d(d为比重)
v六、维护保养
v1.酸性蓄电池液面下降的原因是产生气体和蒸发、应加蒸馏水。
v2.保持铅蓄电池通气孔畅通和蓄电池室通风是为防爆。
v3.1h放电,酸性蓄电池不可,碱性蓄电池可以。
后者过充电、过放电能力强。
v4.未加LiOH的碱性蓄电池温度不得超过30℃。
§1-12船舶接用岸电装置
v概述:
v1.接岸电的作用:
当船舶靠岸特别是修船时应接岸电,因岸电比船电便宜很多,同时可免去对发电机进行管理,便于发电机的维修、保养。
v2.接岸电的要求:
电制、额定电压及额定频率一致,与船舶电网相序一致(不一致电动机反转等)且不能断相。
v3.主发电机、应急发电机、岸电之间的联锁关系是:
主发电机供电,岸电开关合不上闸或自动跳闸;主发电机(应急发电机)脱离电网后,岸电开关才能和闸。
主发电机失电,应急发电机自动起动送电。
配电板上主开关与岸电开关设有联锁保护环节。
v一、相序指示器
v1.电路
v2.原理:
v上图在正常情况通过电路分析
vU1=1.5UpU2=0.4Up(Up为相电压)
v3.性质:
白(绿)灯比红灯亮、为正序,可接岸电;红灯比白(绿)灯亮、为逆序,应将岸电任意两根接线对换。
v二、逆(负)序继电器
v1.作用:
在逆序或断相时,接岸电的自动开关不能合闸。
v2.原理:
(讲)
v1)正序时:
Umn=0KA→线圈无电触点断→KT断电触点闭→U<(DW失压脱扣器)有电→DW可合闸
v2)逆序时:
Umn≠0→KA线圈通电触点闭→KT通电触点延时断→U<失电→DW不能合闸
第二节船舶电网
§2-1船舶电网的线制和分类
v一次网络:
主配电板——负载(分配电板)
v二次网络:
分配电板——负载
v一、船舶电网的分类
v1.主电网:
主电源经主配电板供电的电网
v2.应急电网:
应急电源经应急配电板供电的电网
v3.小急电网:
蓄电池供电的电网
v4.弱电电网:
通讯、导航和报警等的电网
v二、船舶电网的结线方式
v1.结线方式
v1)枝状结线:
配电网络象树枝;线路短、开关少、可靠性差;民用船用。
v2)环形结线:
主馈电线为环形闭合回路;可
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