（轮机工程专业论文）船舶电力系统的设计与研究.pdf

中文摘要 摘要 船舶电力系统供电的连续性、可靠性和供电品质将直接影响船舶的经济指标、 技术指标和生命力。世界海事组织在s t c w 公约中强调了船员教学和培训的重要 性，随着s t c w 7 8 9 5 公约的实施，对轮机员进行电气技术培训显得尤为重要。国 家海事局也明确规定，海上专业学生的教学与船员培训必须按公约的要求进行。 因此研制出一套适合教学和培训的船舶电力系统将具有重要的现实意义。 本文基手对大连海事大学教学实习船“育鲲轮船舶电力系统的研究，利用 在福建交通职业技术学院自动化机舱实际项目中取得的经验，阐述了适合教学和 培训的船舶电力系统的设计过程。具体内容包括：电源装置的设计( 电力负荷计 算等) ；配电装置的设计( 元器件选型、配电板布置图设计、配电板原理图设计 等) ；电力网的设计( 电缆的选型、一次二次电力系统图设计等) ：电力系统保 护的设计( 短路电流的计算、电力系统选择性保护) 等。 该系统具有较完备的船舶电力系统功能，能够真实地进行相关的教学和培训。 该系统的设计与研究过程也能够对小型船舶的设计起到指导作用。 关键词：船舶电力系统；设计；船舶电站 英文摘要 a b s t r a c t t h ec o n t i n u i t y ，r e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yo ft h es h i pp o w e rs y s t e ms u p p l yh a v ea d i r e c te f f e c to nt h ee c o n o m y ，t e c h n o l o g ya n dv i t a l i t yl e v e lo ft h es h i p i ns t c w c o n v e n t i o n ( i n t e r n a t i o n a lc o n v e n t i o no ns t a n d a r d so ft r a i n i n gc e r t i f i c a t i o na n d w a t c h i n gf o rs e a f a r e r s ) ，i m o ( i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ) e m p h a s i z e st h e i m p o r t a n c eo ft e a c h i n ga n dt r a i n i n gf o rs e a f a r e r s w 曲t h ei m p l e m e n t a t i o no fs t c w 7 8 9 5 ，i ti sp a r t i c u l a r l ys i g n i f i c a n tt oc a t t yo nt h et r a i n i n go ft h ee l e c t r i ct e c h n o l o g i c a l k n o w l e d g ef o rt h ee n g i n e e r s c h i n e s em s a ( m a r i t i m es a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ) s t a t e s c l e a r l yt h a tt h et e a c h i n go fm a r i t i m es t u d e n t sa n dt r a i n i n go fs e a f a r e r sm u s tb ec a r r i e d o u ta c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ec o n v e n t i o n t h e r e f o r e ，i tw i l lb ear e a l i s t i c s i g n i f i c a n c ef o rd e v e l o p i n gas e to fs h i pp o w e rs y s t e ms u i t a b l e f o rt e a c h i n ga n d t r a i n i n g o nt h eb a s eo ft h er e s e a c ho fs h i pp o w e rs y s t e mo n “y u k u n v e s s e l ，t h et r a i n i n g s h i po fd a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y , a n dt h ep r o j e c te x p e r i e n c eo ff u j i a na u t o m a t i c e n g i n er o o m ，t h i st h e s i ss t a t e st h ed e s i g np r o c e s so fs h i pp o w e rs y s t e ms u i t a b l ef o r t e a c h i n ga n dt r a i n i n g i ti n c l u d e st h ed e s i g no f t h ep o w e rs o u r c ee q u i p m e n t ( p o w e rl o a d c a l c u l a t i o n ) ，p o w e rd i s t r i b u t i o ne q u i p m e r i t ( p o w e rd e v i c es e l e c t i o n , t h ed e s i g no ft h e f i g u r ed r a w i n g sa n dc i r c u i td i a g r a m so fm a i ns w i t c h b o a r d ) ，e l e c t r i cn e t w o r k ( c a b l e s e l e c t i o n , p r i m a r yn e t w o r kd i a g r a ma n ds e c o n d a r yn e t w o r kd i a g r a m ) ，a n dp o w e rs y s t e m p r o t e c t i o n ( s h o r tc i r c u i tv a l u e sc a l c u l a t i o na n da l t e m a t i v ep r o t e c t i o n ) t h i ss y s t e mh a sf u l lf u n c t i o n so ft h eo c e a ns h i pp o w e rs y s t e m ，a n df u n c t i o n sf o r t e a c h i n ga n dt r a i n i n gw h i c hc a nb et r u l yc a r r i e do u t t h ep r o c e s so ft h ed e s i g na n d r e s e a r c ho ft h i ss y s t e mw i l lb eai n s t r u c t i o nf o rt h ed e s i g no ft h es m a l ls h i p s k e yw o r d s ：s h i pp o w e rs y s t e m ；d e s i g n ；s h i pp o w e rs t a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = =船舶电左丕统数遮盐量硒究= ：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：曼五：弪： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：男移导师签名：m 日期：力矽年，月- 7e l 船舶电力系统的设计与研究 1 1 课题由来及意义 第1 章绪论 1 1 1 船舶电力系统发展状况 船舶电力系统在船舶上具有极为重要的地位，电力系统供电的连续性、可靠性和供 电品质，将直接影响船舶的经济指标、技术指标和生命力。在现代化船舶上，电站操作 越来越复杂、电站自动化程度日益提高，对电站管理人员的要求也越来越高【1 】。 二十世纪七十年代后，船舶电力系统的控制形成了功能齐全、性能稳定的由数字集 成电路与线性模拟集成电路组成的控制系统。八十年代后，出现了由单板机或单片机组 成的微机控制系统。到了九十年代，p l c 的应用增强了控制系统的可靠性【2 】。到目前为 止p l c 控制的电站、主机遥控、集中监测报警等系统已不断的更新换代，船舶电力系 统已形成了完善的船舶自动电力综合管理系统。 1 1 2 课题的提出及意义 s t c w 7 8 9 5 公约( 即( ( 1 9 7 8 年海员培训、发证和值班标准国际公约( 1 9 9 5 年修正) ) 强调对船舶管理人员实际工作能力的教学和培训。作为世界海事组织的缔约国，国家海 事局明确规定，海运院校海上专业的教学与船员培训必须按公约的要求进行。并且 s t c w 7 8 9 5 公约明确了船舶上可以不设电机员，船舶电气方面的工作由轮机员完成， 对轮机员进行电气专业知识的培训显得极为重要1 3 。因此研制出一套费用低、适合进行 教学和培训的船舶电力系统将具有重要意义。 本课题是在对大连海事大学教学实习船“育鲲轮船舶电力系统的研究基础上，在 福建交通职业技术学院自动化机舱建设项目中实际应用，为其设计并建造一套适合教学 和培训的船舶电力系统，并对大连海事大学未来待建的实习机舱项目具有指导意义。该 系统满足国际公约、i e c 标准、中国船级社规范、现代船舶电站技术要求和海事局的船 员培训、评估的要求，能够为轮机专业学生和海船船员提供船舶电力系统课程教学以及 自动化电站操作评估训练考试服务，使用该系统可以方便地应用于自动化电站的工作原 理、操作管理和调试维修的学习。 第1 章绪论 1 2 系统总体设计方案 本系统结合现代化船舶电力系统的发展，采用实物电站( 包括电源装置、配电装置、 电力网等) + 电站管理单元( 包括p l c 控制系统和p p u 并车保护单元) 的方式来实现电 力系统的自动化和教学培训功能。 1 2 1 实物电站设计方案 图1 1 系统设计流程 f i g 1 1t h ep r o c e s so fs y s t e md e s i g n 图1 1 为该系统的设计流程图。在电力系统诸要素( 电制、电压、频率等) 确定后， 根据规范规则以及客户的要求，依次进行电源装置设计、配电装置设计、电力网设计和 系统保护设计，将设计过程图纸化文件化( 包括电力负荷计算书、配电板布置图原理图、 短路电流计算等) ，最后交付相关厂家进行硬件施工。 1 2 2 电站管理单元设计方案 该系统的电站管理单元利用s i m e n s 公司的p l c 和d e i f 公司的p p u 并车保护单 元实现电站的自动管理功能。整个电力系统的主配电板和应急配电板通过两台p l c 和 两台p p u 单元实现，p l c 与p p u 之间的通讯通过p r o f i b u s 协议进行。其中p p u 单 船舶电力系统的设计与研究 元实现发电机、汇流排参数监测、发电机自动同步和负载转移、逆功率保护等功能，p l c 实现的功能有：发电机主开关的开关连锁、主电网失电管理、发电机超载自动并网管理、 卸载管理、二类故障管理、电压频率异常管理等功能。 电站管理单元设计部分由实验室另一同学完成，本文着重在实物电站设计方面做分 析和研究。 第2 章船舶电力系统 第2 章a u t - o 列i ，3 h 1 7 舶电力系统的要求 船舶电力系统由电源装置、配电装置、电力网和用电负载组成。船舶电力系统简图 如图2 1 所示。 图2 1 船舶电力系统 f i g 2 1s h i pp o w e rs y s t e m 船舶电力系统必须遵循有关的规范和标准，以保证船舶电力系统满足使用要求，使 船舶电力系统的设计和建造符合标准化和规范化。中国船级社钢质海船入级规范对 船舶电力系统的设计和建造都有相应的规范和要求。 a u t 0 附加标志是指主推进装置由驾驶室控制站遥控、机器处所包括机舱集控室周 期无人值班。在无人值班周期内电力系统应能保证为主推进装置服务的重要辅机的连续 供电以及船舶电站的连续正常运行1 4 】。 2 1a u t - o 对供电连续性的要求 ( 1 ) 在通常由一台发电机组供电的情况下，应采取如卸载或自动起动备用机组等措 船舶电力系统的设计与研究 施，以保证船舶在包括机动航行在内的所有航行工况下，具有与有人值班机器处所同等 的安全性。 ( 2 ) 在通常需由多台发电机组并联运行供电的情况下，则应采取如卸载或将汇流排 分段等措施，以保证在这些发电机组中的一台停止工作时，其余发电机组仍能保持对推 进、操纵和船舶安全所需设备的供电而不过载。 ( 3 ) 在失电情况下，备用发电机组应能自动起动，并自动连接至主配电板。备用发 电机组的容量应足以对包括机动航行在内的所有航行工况下所必需的设备供电，以保证 船舶具有与有人值班机器处所同等的安全性。 ( 舢失电后恢复供电时，电动机驱动的为主推进装置服务的重要辅助机械，应能自 动按一定的程序再起动。 ( 5 ) 备用发电机组及其自动起动系统，应具有在4 5 s 的时间内承载额定负载的性能。 ( 6 ) 为了对重要负载安全供电，应设有适当的卸载装置，以能在下列情况下将非重 要负载自动切断： 当由于自动接入附加负载而引起总负载超过发电机额定输出功率时； 当多台发电机组并联运行供电，其中一台发电机发生故障，而使总负载超过仍在供 电的其余发电机组额定功率之和时。 2 2a u t - 0 对发电机的要求 ( 1 ) 应设有避免两台及以上发电机同时接入主配电板公共汇流排的措施。 ( 2 ) 因短路故障而失电后，发电机断路器仅能合闸1 次。 ( 3 ) 如由于主汇流排长时间的电压或频率波动原因而起动备用发电机，则有故障的 发电机应在该备用发电机接入主汇流排之前尽快切断。 2 3a u t - 0 对自动化监视的要求 a u t 一0 附加标志对船舶电站的自动化监视项目要求如下： 应能显示汇流排的电压，在汇流排电压过高或过低时进行报警； 应能显示汇流排的频率，在汇流排频率过低时进行报警； 发电机主开关自动合闸失败时报警； 第2 章船舶电力系统 发电机主开关自动脱扣时报警。 以上项目在驾驶台控制站均有组合报警5 1 。 船舶电力系统的设计与研究 第3 章船舶电源装置的设计 船舶电源装置是船舶电力系统的核心装置之一。正确合理地选择船舶电源装置，将 直接影响船舶运行的安全性、可靠性和经济性。因此，在进行船舶电源装置的设计时需 要慎重考虑。 船舶电源装置设计的内容包括：船舶电力负荷计算、主发电机组容量和台数的选择、 应急发电机组容量和台数的选择、电源变压器容量的选择和蓄电池容量的选择等【6 】。在 这里，着重研究电力负荷计算和主发电机组的选择。 3 1 船舶电力负荷计算( 三类负荷法) 三类负荷法是一种使用最多的全船电力负荷的计算方法川。它是根据各用电设备的 使用情况将负荷分为三类，并且考虑负荷系数和同时系数来进行计算的。在电气设备具 有较为充分的数据时，常采用三类负荷法进行全船电力负荷的计算。在使用三类负荷法 进行电力负荷计算时，要仔细地分析各个用电设备的实际负荷及具体使用情况【引。 在船舶运行的各种工况中，凡连续使用的负荷均为一类负荷；短时或重复短时使用 的负荷为二类负荷；可用可不用或偶然短时使用的负荷为三类负荷。负荷类别的划分应 依据负荷所处的使用工况。 划分好负荷类别后，要计算电动机的相关参数，如电动机的利用系数、机械负荷系 数、电动机的负荷系数、同时使用系数、总同时使用系数等。进而计算电动机的额定所 需有功功率、实际所需有功功率、实际所需无功功率。在计算完各组用电负荷所需有功 功率和无功功率之后，便可确定各运行工况下发电机应供给用电设备的总功率。此时应 该考虑各组用电设备之间的一类负荷总同时使用系数和二类负荷的总同时使用系数。在 发电机供给的总功率中需计入5 的电网损耗【9 】。 船舶某一运行工况所需的发电机总功率就是该工况下选择发电机功率和台数的依 据。根据最大负荷的总有功功率，再考虑1 0 - - 2 0 的储备容量，即可确定船舶电站的 容量。 根据船舶电力系统设计的需要，应用三类负荷法，开发了电力负荷计算软件。本电 力负荷计算软件是以w i n d o w sx p 为操作平台，采用v i s u a lb a s i c6 0 开发的。 第3 章船舶电源装置的设计 图3l 为该电力负荷计算软件的运行界面。鼠标单击“电力负荷计算”按钮框即可 进入到图3 2 计算界面。点击“退出系统”即可退出该计算软件。 凹3l 电力负荷计算软件运行界面 f i g3 1t h eo p e r a t i o n a l i n t e r f a c eo f p o w e r l o a dc a l c u l a t i o ns o f t w 口e 进入到电力负荷计算主界面后，在“运行工况”中输入将要计算的船舶运行工况。 选择负荷的类型类负荷”，将该r 况下所有的一类负荷的设备名称、数量、最大轴 功率、额定功率、效率、功率因数、电动机利用系数、机械负荷系数、电动机负荷系数、 同时使用系数等输入到软件的相应位置，然后分别点击“计算有功功率”和“计算无功 功率”，一娄负荷总有功功率p 和总无功功率0 将会显示在文本框中。以此类推将二娄 负荷和三娄负荷的总有功功率p 和总无功功率q 都计算出来。分别输入一类负荷和二娄 船舶电力系统的设计与研究 负荷的同时系数，然后分别点击“一类负荷总功率( 考虑同时系数) ”和“二类负荷总 功率( 考虑同时系数) ”结果就会显示在文本框中。点击“一、二类负荷功率总和( 考 虑同时系数) ”，就会得到该工况下的总有功功率和总无功功率。进而计算出考虑电网 损失5 时所需的功率。点击“清除数据”，计算界面将清空数据 r 翟8 竺掣军= 答8 罄，瓣罄飚驴秽一一 j ：冀：塑 ；jl ! iir 茹：型 i i i 、r 一斧鬻i t 0 、 ： 1|一* w n - ： ； ， t 一一n ：l ! ；5m 8 镟c m i ； 一* 镒c ”m 4 11i 銎 一r m ：i ；2 黼* t 芸 n 。 ： + l 圈3 2 电力负荷计算软什计算界面 f i g 32 t h ec a l c u l a t i o n i n t e r f a c eo f p o w e r l o a dc a l c u l a t i o ns o f t w a r e 第3 章船舶电源装置的设计 3 2 主发电机组容量和台数的选择 船舶设计早期，由于用电设备的种类、数量和使用工况尚不明确，一般根据主机功 率和船舶吨位大小来估算电站的容量。发电机组的容量和台数应根据电力负荷的计算结 果来进行最终确定。 3 2 1 电站容量 从电力负荷计算表我们得到了各工况下全船电力负荷所需总功率，由此来确定全船 最低限度的功率需求量。但电站实际需求的总功率还要考虑到以下各种因素：保证船舶 安全航行所需的后备发电量：发电机维护保养所需的交替容量；船舶增添新设备所需的 储备容量；发电机满负荷保持在8 0 ( 额定功率) 左右的增大系数；以及应付可能发生 的短时峰值负荷所需的功率等1 0 】。因此应将电力负荷计算得到的各工况所需的总功率适 当放大，求得电站所需功率。 根据船舶的实际情况，可在1 2 1 5 范围内选取放大系数。电站容量应能满足船舶 在各种运行工况下的用电量，并有适当裕量，以保证供电的连续性和可靠性，因此应选 择各工况中数值最高的电站所需功率作为确定电站总容量的依据。 3 2 2 发电机组容量和台数选择原则 发电机组的总容量决定于电站的总容量，发电机组的单机容量和台数的选择要根据 以下原则【1 1 】： ( 1 ) 为了让机组高效率、经济地运行且保留适当的功率裕量，单机组容量以最高负 荷率为8 0 来确定为宜。 ( 2 ) 船舶电站必须有备用机组，其容量要能满足船舶各工况的用电需求。所以 s o l a s 公约规定船舶至少要有两台发电机组。备用机组容量应等于最大机组的容量， 当任一发电机发生故障时，备用机组投入均可满足供电要求。 ( 3 ) 通常发电机的型号和功率应保持一致，应尽可能减少船舶电站中发电机组的种 类。 ( 4 ) 发电机台数尽量少些，一般主发电机选2 - - - 4 台。 ( 5 ) 选择机组时要考虑发电机组的使用寿命应与主机寿命相当。 船舶电力系统的设计与研究 根据上述原则，一般船舶电站设置2 3 台( 包括备用机组) 同型号同容量的主发电 机组，最多为4 台。 型。 船舶电站基本参数和发电机组台数和功率确定后，就可以进行发电机组设备的选 福建自动化电站项目中使用了4 0 k w 的水负载，考虑到其实验性能，该项目中选择 了两台容量为7 5 k w 的发电机组作为主发电机。 第4 章船舶配电装置的设计 第4 章船舶配电装置的设计 配电装置用以接收和分配电能，并对电网进行保护。由于船用配电装置的特殊性， 有些配电装置( 主配电板、应急配电板等) 还具有对电源装置、用电设备等进行保护、 测量和控制等功能。 船舶配电装置种类很多，常用的按其用途分类有1 2 】： 主配电板用来控制和监测主发电机的工作，并将主发电机产生的电能，通过主 电网或直接给用电设备配电； 应急配电板用来控制和监测应急发电机的工作，并将应急发电机产生的电能， 通过应急电网或直接给用电设备供电； 蓄电池充放电板用来控制和监测充电发电机或充电整流器，对蓄电池组进行充 放电工作，并通过低压电网或直接给用电设备配电； 岸电箱当船舶停靠码头时，将岸上电源接至船上，通过主配电板( 或应急配电 板) 给用电设备供电； 区配电板介于主配电板或应急配电板与分电箱之间，用以向分电箱和最后支路 供电的配电板； 分电箱用以向成组的最后支路供电，并装有保护装置。按目的和性质分为：电 力分电箱、照明分电箱、助航通信分配电板等； 电工试验板接有全船各种电源和必要的检测仪表，专供船上检修和校验各种用 电设备的配电板。 4 1 配电装置的结构设计 船舶配电装置应根据其安装的场所，选择不同的防护等级和安装方式。 4 1 1 防护等级 船级社对配电装置的防护等级都有严格的要求和详细的规定。电气设备的外壳防护 型式的选择，应与安装的场所相适应。一般舱室安装的配电装置，其顶部应达到i p 2 2 的要求【1 3 】。配电装置应尽量避免安装在易受水和机械损伤的处所，如机炉舱、封闭的燃 船舶电力系统的设计与研究 油分油机室内，如果安装在上述舱室内其防护等级应不低于i p 4 4 。安装在露天甲板上的 配电装置，如岸电箱等，应具有1 p 5 5 或i p 5 6 的防护等级。 4 1 2 安装方式 一般较大的配电装置，如主配电板、应急配电板和蓄电池充放电板等，多采用立式 安装的结构。配电板下面设有底座或底脚，安装于甲板上。可设计成封闭式和板后开启 式结构。也可按有关规范的要求，采用板前检修或板后检修的方式。对于板前检修方式， 应有后盖板，可靠壁安装；对于板后检修方式，后面可为开启式或装有防护门，但必须 备有水平安装的绝缘扶手。 4 1 3 配电装置结构设计 对配电装置的结构设计影响较大的有：汇流排的安装位置、发电机控制屏和配电屏 等功能、发电机励磁装置设置场所、外部电缆的引入方法以及安装尺寸的限制等。 配电装置的结构设计，应注意下述各点： ( 1 ) 构成配电装置的骨架及箱体应有足够的强度，在振动和冲击情况下不能发生有 害的变形； ( 2 ) 配电装置的结构附件，应尽量选用标准件； ( 3 ) 配电装置应在保证电气性能和满足要求的前提下，具有最小的尺寸和重量； ( 4 ) 仪表、指示灯、小型开关等通常装于面板上，仪表和指示灯的布置应便于观看， 操作手柄应便于操作； ( 5 ) 大型配电装置如主配电板和应急配电板等其板前或板后应设有坚固的绝缘扶 手； ( 6 ) 通常电缆应从底部进入配电装置。 4 。2 配电装置的电气设计 配电装置的电气设计应注意下述各点【1 4 1 ： ( 1 ) 电气元器件和装置的额定电压、额定电流、额定频率、短路强度、分断能力以 及使用寿命等参数应适合其指定的用途； 第4 章船舶配电装置的设计 ( 2 ) 各电气装置保护的设置和整定应与被保护用电设备的电性能和热性能相协调， 并应能满足系统保护的要求： ( 3 ) 安装在配电板上的仪表、开关、指示灯、按钮、操作手柄等均应有明显的耐久 铭牌标明其用途和操作位置； ( 4 ) 汇流排及其连接件应为铜质的，一般采用导电率为9 7 以上的铜材；汇流排的 连接处应作防止腐蚀和氧化的处理。 ( 5 ) 汇流排和裸线的颜色应满足有关规范和规则的要求。我国国家标准和中国船级 社对交流汇流排和裸线的相序颜色规定为： a 相，绿色；b 相，黄色；c 相，褐色或紫色；中性线，浅蓝色。 ( 6 ) 配电装置中所用测量仪表的精度等级，应根据仪表的用途决定，一般选用，1 5 级仪表，但不应低于2 5 级； ( 7 ) 电压互感器和电流互感器的次级绕组应单独可靠接地。 4 3 元器件的选型 在设计主配电板之前要进行元器件的选型，其中包括发电机断路器的选型、各用电 设备断路器的选型、变压器的选型、控制变压器和电流互感器的选型、测量仪表指示灯 和按钮的选型以及发电机并联运行自动控制单元的选型等。本节以福建交通职业技术学 院实习电站为例来进行选型的分析和研究。 4 3 1 发电机断路器的选型 断路器是能接通、承载和分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路条 件下( 如短路) 接通、承载一定时间并能分断电流的开关电器。发电机向汇流排供电， 发电机和汇流排之间必须通过断路器来进行控制。 大型远洋船舶发电机单机功率较大，其断路器一般都采用框架式断路器。但对小功 率的发电机来说，其断路器可以使用塑料外壳式断路器。福建实习电站项目中使用的发 电机组额定功率为7 5 k w 、额定电流为1 3 5 3 a 、额定电压为4 0 0 v 、频率5 0 h z ，由于功 率较小，故可用塑料外壳式断路器来做发电机的主开关。 目前生产船用塑壳断路器的国外厂家主要有法国的施耐德电气公司、日本的寺崎公 船舶电力系统的设计与研究 司、瑞士的a b b 公司以及德国的西门子公司，国内也有不少生产塑壳断路器的厂家， 鉴于断路器的实际操作效果和典型教学意义，在该实习电站的项目中选择法国施耐德电 气公司梅兰日兰产品的n s 系列塑壳断路器作为发电机的主开关。 n s 系列塑壳断路器具有结构紧凑、全模块化、高分断及零飞弧等特点。它适用于 交流5 0 h z 、额定绝缘电压7 5 0 v 、额定工作电压6 9 0 v 及以下、额定工作电流1 ( r - 1 2 5 0 a 的电力线路中。在正常情况下，断路器作为线路的不频繁转换及电动机的不频繁起动， 具有过载、短路和欠电压等保护功能n s 断路器的性能符合1 e c 9 4 7 2 和g b l 4 0 4 82 标 准，其材料由可循环的材料制成，不会对环境带来污染【”】。 n s 断路器提供了非常高的分断能力和短路电流限制阻及完全选择性。先进的限流 功能可延长整个安装设备的使用寿命，提高性能及短路器的耐用性，即使在满分断能力 时分断依然会保留主要的工作特性。n s 断路器具有高水平的识别故障能力，发生故障 时只有与故障有关的上级断路器脱扣，其他回路不受影响并且继续供电。n s 断路器带 有的双旋转分断结构可以将短路电流产生的能量降得很低，这样可以大大降低安装所产 生的应力1 1 6 1 。 幽4 i n s 断路器及其脱扣器 f i g4 1n sb e a k e r a n d t r i p p a n 筇4 章船日h 配电装置的设计 n s 断路器按照额定极限短路分断能力的高低分为n 型( 杯准型) 、s x 型( 加强分 断型) 、h 型( 较高分断型) 和l 型( 极高分断型) ；脱扣器分为热磁脱扣器t m 和电 子脱扣器s t r 2 2 s e 。凼发电机的额定电流为1 3 53 a ，山图4 2 分析比较，我们选择 n s 】6 0 n 型断路器并带电子脱扣器s t r 2 2 s e l - ：忙 。_ _ f _ =： 曙 【=_ ： 圪 。二二搿 j ： j ：j ： ” ：l 愫鬻黑 兰： “： l i 。 篓：。in 。 i q“o ”“w 1 * 5 v *xf 1*5 0t 0 ee 川 w7 口7 c # 3 5 。3 5 l 】0 p ec “、l | 2 ti o - j p 一= 0 口c c 一一 sxhlklh * k *1 ”xw “z = * 2 5 d ： * ttr 剀4 2 n s 断路器性能参数 f i g42n sb r e a k e rf u n c t i o np a l a m e t e r s 目4 , 3s t r 2 2 s e 脱扣器 f i g43s t r 2 2 s e t r i pp a r t 弋生 船骱电力系统的设训与研究 图4 3 中1 为长延时保护整定值，2 为长延时保护延时时间，3 为短路保护整定值 4 为短路保护延时时间，5 为瞬时短路保护，6 为预警指示灯，7 为测试孔。 过缸荷保护( 长延时 短路电流保护( 短延时 啦扣电涟整定值 a ) s d = x 1 2 l o 延时时闸【m s 】i 融宅j 量：菩薯：扣时“暖总断路时问l 6 0 短路电妇保拶，( 瞬时) 脱州i u 推值( a ) l i 同定；t 1 i n 瞄4 4s t r , 2 2 s e 脱扣器性能参数 f i g44s t r 2 2 s e op a r t f u n c t i o np a r a m e t e r s 选定型号后，根掘发电机的额定电流值以及断路器的脱扣曲线对断路器的脱扣电 流和延时参数进行相关设定。 长延时保护脱扣电流的整定值l r 的调节范围由1 1 1 与i o 的系数乘积决定，i o 的调节 点有0 5 、o6 3 、o7 、0 8 、0 9 和1 ，i r 的调节点有08 、08 5 、08 8 、0 9 、09 3 、09 5 、 o 9 8 和l ，故调节范围为( o5 x 08 h l x l ) 即0 4 1 ；脱扣时间在i _ 5 k 时整定为9 0 1 8 0 s ， 在6 1 r 时整定为5 75 s ，在72 1 r 时整定为3 2 5o s 本实习电站发电机额定电流为1 3 53 a ， 将系数分别调节为0 9 、09 5 ，i o = 09 x l n = 09 x 1 6 0 = 1 4 4 ，i r = 09 5 x l o = 09 5 x l “= 1 3 68 1 3 53 故调节点选择台适，延时时削设定为通过电流为1 5 i r 时延时9 0 s 。 短延时保护脱扣电流的整定值l s d 可以在2 1 0 1 r 之问调节，延时时间为4 0 m s 。故 本发电机断路器的短延时整定为2 1 r ，延时时叫为4 0 m s 。 磐：鱼|：受： ，嘉温馨黜 竺 嘲一掣 第4 章船舶配电装置的设计 瞬时脱扣电流的整定值i i 整定范围为1l l n ，故本发电机断路器瞬时保护整定值设 定为1l l n 。 5 712 34 5 71 02 03 05 07 0 1 2 0 0 3 0 0 - - - - - - 一_ ， - - - - - - - 图4 5n s l o o n 断路器脱扣曲线 f i g 4 5t r i pc u r v eo f n s 10 0 nb r e a k e r 4 3 2 用电负载断路器的选型 本实习电站项目中3 8 0 v 用电负载功率较小，故均可选用施耐德电气公司的n s l 0 0 n 塑壳断路器。以主海水泵为例来说明3 8 0 v 负载断路器的选型。 n s l 0 0 n 适用于电动机保护的脱扣器类型有电磁脱扣器m a 、m a e 和电子脱扣器 s t r 2 2 m e 、s t r 4 3 m e ，这里选择m a 电磁脱扣器。m a 电磁脱扣器用于短路保护时的 e o o o o o _ 。o o o s 2 1 5 2 5 2 ，s 2 ， 蛳蝴 嗽嗽瓣擞僦鹪 s 2 ，5 2 j 衢 艘m | 堇 茎| 谳 o s 2 1 。 ，1i啦，山t 船舶电力系统的设计与研究 额定电流种类有2 5 、6 3 、1 2 5 、2 5 、5 0 、1 0 0 a ，本实习电站中主海水泵的额定功率为 1 l k w ，额定电流为2 09 a ，故选择m a 2 5 作为脱扣器。 本实习电站项目中2 2 0 v 负载均选用施耐德电气公司m u l t i 9 系列的c 6 5 小型断路 器。c 6 5 系列断路器拥有卓越的限流特性，当发生短路时可将电缆和故障点的热效应降 至最低，减小了短路对断路器本身的影响，并且具有优良的分断能力。c 6 5 系列断路器 在快速分断、灭弧技术等方面的改进不仅大大提高了分断能力而且也增强了极限分断情 况下的安全可靠性i ”j 。 里j 旦卫! 韭一 凹4 6 c 6 5 断路器 f i 9 46 c 6 5b r e a k e r 第4 章船舶配电装置的设计 1 0 0 0 0 s i d 0 0 1 h 2 0 。0 1 0 0 0 s o d 2 0 0 1 5 0 7- 【： ll7 j f i ls i 一 fi ， ij ： j i， 、il | | l i i。 tf - 、 f 、 、l l ；| lf| ； _ 、，! flil 、l、 、2 、-； i! i；n 心 ；l| _ = ”一 ”蔫_ i i 篱参 ； ；| |li| = | | 。 曩1 1 l 叠 f ，f f l ；、lj i 。 翅 。l 。 斗 ii f i ； j 0 5 12 34 571 02 03 d5 。7 。1 0 。2 l 舯 图4 7c 6 5 断路器脱扣曲线 f i g 4 7t r i pc u r v eo fc 6 5b r e a k e r c 6 5 系列是国内系列最为完整、可满足不同市场和需求的小型断路器。c 6 5 n h 应 用于建筑、工业等领域。c 6 5 l 主要适用于高分断需求的场合。在本实习电站项目中选 用c 6 5 n 。c 6 5 n 有b 型( 电子保护) 、c 型( 配电保护) 和d 型( 动力保护) 脱扣曲 线。以舱室风机为例来说明c 6 5 断路器的选型，其额定功率为8 k w ，额定电流为1 5 2 a 。 c 6 5 n 脱扣器的额定电流有1 、2 、3 、4 、6 、1 0 、1 6 、2 0 、2 5 、3 2 、4 0 、5 0 、6 3 a 等， 故选择c 型脱扣曲线c 2 0 脱扣器。 4 3 3 控制变压器和电流互感器的选型 ( 1 ) 控制变压器的选型 控制变压器的工作原理与普通变压器相同，它是向控制电路提供电源的变压器。采 用控制变压器时，控制电路能够获得合适的工作电压并且与主电路隔离，能够充分保障 控制电路与主电路之间的互不影响。控制变压器的容量为控制回路各个负载的容量之 孙船5 2，帖舱滔呲i璺耋|锨 o o 0 船舶电力系统的设计与研究 和，要根据具体的控制回路来选择控制变压器的容量 一 图4 8 控制变压器 f i 9 48 c o n t r o l t r m a s f o n n e r 国产j b k 3 系列控制变压器是参考德国西门子公司样机制造的新产品，符合 v d e 0 5 5 0 、i e c 2 0 4 - 1 、i e c 4 3 9 、g b 5 2 2 6 等有关国际、国家标准，适用于交流5 0 - 6 0 h z ， 输出额定电压不超过2 2 0 v ，输入额定电压不超过5 0 0 v 。本实习电站控制电路中需要获 得2 2 0 v 和2 4 v 的电源，且控制电路容量小，控制变压器容量选为2 5 0 v a 就已足够。 故选用国产j b k 3 型控制变压器，具体型号为j b k 3 2 5 0 t ha c 3 8 0 2 2 0 2 4 v5 0 h z 。 ( 2 ) 电流互感器的选型 电流互感器作为一次系统和二次系统间的联络元件，能将一次系统的大电流变换为 二次系统的小电流，用以分别向测量仪表、继电器、保护装置和自动控制设备供电，能 正确反映电气设备的正常运行参数和故障情况，并将一、二次系统隔离使一次系统短路 时保护二次设备免受损害1 1 8 】。 在选择电流互感器时应确保其额定电压不小于装设点线路的额定电压。电流互感器 一次额定电流l l n 和二次额定电流1 2 n 之比，称作电流互感器的额定变流比，k i = l l n f l 2 n n 2 n 1 ( n i 、n 2 为电流互感器一次绕组和二次绕组的匝数) 。电流互感器一次侧额 定电流标准比有2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、7 5 、1 0 0 、15 0 等多种规格二次侧额定电流通常为 1 a 或5 a 。一般情况下，测量用电流互感器变流比的选择应使其一次额定电流不小于线 路中的负荷电流。 第4 章日a 舶配i u 装置的啦计 墨_ 4 9 电“l 互感器 f i g49c u r r e n tt r a n s f o r m e r 根掘发电机电压电流频率等参数选取国产b h - 06 6 t h 2 0 0 5 a 一5 0 h zf 乜流互感器。 本电流互感器适用于额定频率5 0 h z ，额定电压06 6 k v 以r 的电路中作测量用。 4 34 测量仪表的选型 配电板巾使用的测景仪表的精度等绒应根据仪表的用选决定，一般选用i5 数仪表 但不应低丁25 级( 幽家标准脚定的准确度等级分为7 级：0 i 、0 2 、05 、10 、l5 、2 5 和5 0 ) 。测量仪表的量程和剿度应符台下述要求： 电压表的i 二量限应约为线路额定屯压的1 2 0 ； 电流表的上龌限应约为线路中额定电流的1 3 0 ： 频卒表应具柯1 0 额定频率的刻度： 功率表应指示出1 5 的逆功率： 在电厄表，电流表和功率表的刻度盘上应有表不其额定值的明显标志9 i 。 根槲上述要求选用上海怡器仪表厂的测量仪表，所有仪表都选用外形尺寸为9 6 m m 的矩形表。具体型号如下： 频毫表：f 9 6 一f i z b ，4 5 5 0 5 5 h z ，4 0 0 v ，r 5 0 h z ： 电压表：f 9 6 - a c b ，o - 5 0 0 v ，5 0 h z ，r 一- 0 0 v ： 船舶电力系统的设计与研究 电流表：f 9 6 a c b ，0 2 0 0 a ，2 0 0 5 a ，5 0 h z ，r 1 3 53 a ： 功率表：f 9 6 - w b ，2 0 0 1 2 0 k w ，2 0 0 5 a ，4 0 0 v ，5 0 h z r - 7 5 k w ； 功率因数表：f 9 6 c o s 巾b ，0 5 1 0 5 ，4 0 0 v ，5 0 h z ： 同步表；f 9 6 s ，a c 4 0 0 v ，5 0 h z 。 435 指示灯、按钮和转换开关的选型 ( 1 ) 指示灯的选型 中国船级社钢质海船入级规范第4 篇13 6 规定视觉信号的颜色应符台下表中 的规定。 表4i 视觉信号的颜色及说明 t a b l e alc o l o r s a 埘e x p i a t i o n s 计v b u “日g 嘣 颜色 含义 说明 红 危险或报警危险或需要立即采取行动的警告 黄注意状态的改变或即将改变 绿安全( 正常工作状态)安全状态指示 蓝指导信息可赋予上述红黄绿三色未涉及的特定含义 自无具体含义任何含