船舶电站及其自动化装置 课件 1 船舶电站概述

第一章船舶电站概述

电力系统是指包含发电装置、配电装置、输变电网和用电设备等四个部分。船舶电力系统是由船舶电源装置、配电装置、船舶电力网和电力负载等按一定方式连接的整体，是船舶电能产生、传输、分配和消耗等全部装置和网络的总称。1、船舶电力系统的组成

船舶电力系统，是由船舶电源装置、配电装置、船舶电网和负载按一定方式连接的整体，是船上电能产生、传输、分配和消耗等全部装置和网络的总称。

船舶电网又有主电网和应急电网两部分，它们之间采用联络开关连接，正常时合在一起。索引第一节船舶电力系统的组成与特点（1）船舶电源电源装置是将机械能、化学能等能源转变成电能的装置。船舶常用的电源装置是发电机组和蓄电池组。

船舶电力系统的组成与特点

（2）配电装置对电源即发电机发出的电能、电力网和电力负载进行保护、分配、转换、控制和检测的装置。船舶配电装置按其用途的不同可分为：总配电板（或称主配电板）、应急配电板、充放电板、岸电箱、分配电板；按其结构可分为：防护式、防滴式、防水式三种，通常主配电板和应急配电板多采用防护式。区域分配电板由主配电板或应急配电板馈电，是对耗电大于16A的电器设备进行供电的开关板。

船舶电力系统的组成与特点

（3）船舶电力网是全船电缆和电线的总称。

其作用是将各种电源与各种负载按一定关系连接起来。船舶电力网根据其所连接负载的性质，可分为动力电网、照明电网、应急电网和小应急电网等。

船舶电力系统的组成与特点

（4）电力负载

电力负载又称电力负荷，就是耗用电能的各种用电设备，是将电能转换成其他形式能量的用电设备。船上的用电设备形式很多，有动力设备、照明设备、通讯导航设备等。可分为：

①.各种机械设备的电力拖动负载，主要包括甲板机械和舱室机械。

②.船舶照明设备负载，包括各种电气照明灯具及各种航行灯和信号灯。

③.通信导航设备负载(容量小，但等级高)。

④.生活及其他用电负载。

船舶电力系统的组成与特点

1.容量小：最大负载容量可达单台发电机容量的60％，负载的变化的影响大。要求船用发电机有良好的电压调节和频率调节性能。

2.电网线路短：线路电压降小，一旦发生短路故障，产生的短路电流将很大。要求对发电机组组的控制、配合和保护等方面的性能较高。

3.工作环境恶劣：存在着冲击、振动、倾斜和摇摆的危害，温度高、相对湿度高、空气中盐雾和油雾浓度高，还有热带昆虫咬食。要求结构材料和绝缘材料的性能较高。——三特点对应三要求1.2船舶电力系统的特点索引船舶电力系统的基本参数是指电流种类（电制）、额定电压和额定频率的等级。选择合适的电气参数，可以保证船舶电力系统的可靠性和稳定性。原则：①.原则上应与本国或船舶运行需经常停靠的码头的陆用电力系统参数一致。②.必须保持参数的统一，一般不采用两种不同的基本参数，以减少电源参数的种类。③.应与今后可能协同工作的其他船舶的基本参数一致。④.应保证电力拖动需要的特性、电动机和电器工作的可靠性。索引第二节船舶电力系统的基本参数

1.电流种类（电制）：船舶电力系统常采用的有交流和直流两种电制。早期船舶采用直流电制，主要基于直流发电机调压容易、直流配电装置简洁、直流电动机调速平滑等优点。但直流电制在可靠性、经济性、可维护性方面的缺陷甚多；在20世纪50年代以后，电力电子技术的发展突破了交流电力系统的调压、调频、并联运行等一系列难点，使交流电制逐渐占据了主要地位。

船舶电力系统的基本参数

船舶电力系统的电压等级一般都尽可能与岸电相同。对于同一电压等级的额定电压针对电源设备和用电设备其数值有所不同。

用电设备的额定电压：规定与同级电网的额定电压相同。电网额定电压是线路首端与末端的平均电压。例如：110V、220V、380V、1kV、3kV、6kV、10kV等。

发电机的额定电压：规定高于同级电网额定电压5%。例如：115V、230V、400V、3.15kV、6.3kV、10.5kV等。

非电力推进船舶的限制电压为500V。2.额定电压：3.额定频率：交流船舶电力系统的额定频率一般沿用各国陆地上的频率标准，我国采用50Hz，西欧、美国采用60Hz。这里不包括弱电设备所需的特殊频率以及海上平台等特殊设备的电源频率。

船舶电力系统的基本参数索引线制是指电网输电时采用的输电线缆数量和连接方式。交流船有：①.三相三线绝缘系统，②.中性点接地的三相四线系统，③.以船体作为中性线回路的三相三线系统等三种。目前大多数船舶采用三相绝缘系统。

3.船舶电网的线制索引船舶电力网泛指主配电板和应急配电板到用电负载之间的电缆连线。因船舶负载的种类和数量颇多，不可能每个负载都直接由主配电板或应急配电板供电，有许多成组用电设备是由区、分配电板供电。通常，由主配电板直接供电的电网叫一次配电网络；而由区、分配电板供电的网络叫二次配电网络。索引第三节船舶电网的组成与分类根据供电电源的不同、负载的性质和用途不同，船舶电力网可分为：（1）动力配电网络。（2）正常照明配电网络。（3）应急电网。（4）小应急电网。（5）弱电网络。1．船舶电力网的分类

电压等级在500V以下的船舶电网，一般采用枝状或环状配电方式。（1）环状接线：（2）枝状接线：2.船舶电网的配电方式（接线方式）

①从主配电板出的各馈电线路都安装有自动开关，便于集中控制；②由于用电设备很多，主配电板需要集中大量的电缆端头和自动开关，不仅电缆耗量多，而且主配电板的尺寸也需相应增大；③一旦馈电线路发生故障，则该路的电气设备或分配电板就要停电，因此可靠性较差。

（1）枝状配电方式

①每一个用电设备均可以从线路的两个方向获得供电，当一路主馈电线路出现故障，另一路仍可以保持供电；②可以减少主馈电电缆的数量和长度及主配电板的尺寸；③不便于在主配电板上对各馈电线路实行集中控制。

（2）环状配电方式

船舶中压电网配电方式有四种第四节船舶主配电板的组成与功能

船舶主配电板是对电能进行集中控制、监测和分配的一种装置。它是由各种开关、自动控制与保护装置、测量仪表及互感器、调节和信号指示等电器设备按一定要求组合而成的一个整体。

主要功能：（1）正常运行时，手动或自动接通或切断电源至用电设备间的供电网络，对电网供电或停止供电。（2）测量和监视电力系统的各种电气参数（电压、频率、电流、功率、功率因数、绝缘电阻等）。（3）调整电力系统的各电气参数值（例如电压、频率的调整）。（4）当电力系统发生故障或不能正常运行时，保护电路将自动地切断故障电路或发出报警信号。（5）对电路状态、开关状态以及偏离正常的工作状态进行信号显示。索引船舶船舶主配电板的组成与功能主配电板是船舶电力系统最主要的配电装置，担负着对主发电机和用电设备的控制、保护、监测和配电等多种功能。主配电板主要由发电机控制屏、并车屏、负载屏和连接母线四部分组成。1、船舶主配电板索引

（1）

发电机控制屏发电机控制屏是用于控制、调节、保护、监测发电机组的，每台发电机组均需配有单独的控制屏。

发电机的控制屏面板常设计成上、下两部分。上部装有测量仪表、转换开关、指示灯、主要电源开关、原动机的调速开关和按钮等；下部一般安装有发电机主开关，有的船舶也装有发电机励磁控制装置。控制屏内还装有逆功率继电器和仪用互感器等。（2）发电机并车屏并车屏用于交流发电机组的并联运行、解列等操作。主要由频率表（电网和待并机）、同步表与同步指示灯及其转换开关、调速开关、合（分）闸按钮、投切顺序选择和转换开关等组成。有的还设有汇流排分段隔离开关、粗同步并车电抗器、自动并车装置等。返回（3）负载屏负载屏的主要功能是对各馈电线路进行控制、监视和保护，通过装在负载屏上的馈电开关（一般为塑壳式自动空气断路器，对一些大负载或重要负载也有采用框架式自动空气断路器的）将电能供给船上各用电设备或分配电板。它包括动力负载屏和照明负载屏，通常安装有装置式自动空气开关、电压表、电流表及转换开关、绝缘指示灯、兆欧表以及与岸电箱相连的岸电开关。岸电开关岸电主开关的失压脱扣线圈电路中串联着主发电机的常闭辅助触点，只有主电网失电时，岸电开关才能合闸；实现了船电与岸电的互锁。

4.汇流排交流汇流排按从上到下（垂直排列），从左到右，从前到后（水平布置）的顺序依次为A相、B相、C相。汇流排的颜色依次为绿色、黄色、褐色或紫色，中线为浅蓝色（若有接地线则接地线为黄绿相间颜色）。

直流汇流排按从上到下（垂直排列），从左到右，从前到后(水平布置)的顺序依次为正极、中线、负极。其正极颜色为红色，负极为蓝色，中线为绿色和黄色相间色。索引（二）船舶电站运行中的监视与管理1．观察配电板上各仪表读数，如电压、频率、电流、功率等并作记录。2．根据工况进行发电机的并联运行或解列，使电站合理、经济运行。3．观察并联发电机组间功率分配是否合理。如果不合理，应进行手动调节并使之合理分配。交流发电机各相电流不得相差10%，且每相电流不应超过额定值。4．检查运行中的发电机的调压装置是否有不正常的振动或声响。若有异常，应查明原因，排除故障。5．检查发电机温度及轴承温度是否正常，发电机的温升不应超过其绝缘等级允许的温升。轴承最高工作温度为：滚动轴承一般不超过80℃，滑动轴承不超过70℃。6．注意观察发电机滑环的火花情况。7．对故障待修或正在检修的电气设备，在主配电板上断开电源时，必须在其相应的开关上悬挂告示牌，以免造成触电事故或设备损坏。8．配电板上同步表、兆欧表均按短期工作设计，并车或测量完毕后，应将转换开关扳回零位。9．观察配电板上兆欧表或地气灯所显示的船舶电网绝缘情况。如有绝缘不良应及时进行检查、排除。1．电站在将要长期停止运行或者发电机、配电板将进行厂修前均应测量绝缘电阻，并作好记录，以备查考。2．交流船舶接岸电时，应当查明电压及频率是否与本船电网电压及频率一致，并且要确定相序一致，确保船电失电后方能接通岸电。3．配电板停用期间，对有加热驱潮电阻装置者，应通电加热，防止油、水溅入发电机和配电板内。索引3、船舶电站停止运行后的管理第五节发电机主开关

船用万能式自动空气断路器(aircircuitbreaker，ACB)，是船舶电力系统中常用的一种配电保护电器，集控制与多种保护功能于一体，在正常情况下可用于不频繁地接通和断开电路，当电路中发生短路、过载、欠压等故障时，能自动切断故障电路，保证线路和电气设备的安全。船用万能式自动空气断路器一般装设在配电装置内，也可安装在墙上或支架上。万能式自动空气断路器的特点是，在正常运行时作为接通和断开主电路开关电器，在不正常运行时对主电路进行过载、短路、和失（欠）压保护，自动断开电路。自动空气断路器，冠于“空气”，是因为触头断开时触头间的绝缘介质为空气。冠于“自动”，是因为断路器可自动切除故障电路。

船用空气断路器有框架式和装置式两种，框架式又称为万能式，主要用作发电机的主开关；装置式又称为塑料外壳式，主要用作配电板上控制负载供电的开关。索引发电机主开关的基本功能和结构

结构与基本功能：

框架式自动空气断路器一般由：触头系统、灭弧装置、过流脱扣器、失压脱扣器、分励脱扣器、自由脱扣机构、电动和手动操作机构等组成。

自由脱扣机构处于锁扣状态时，触头系统的状态由操作机构控制。正常运行时，自由脱扣机构锁扣，操作机构使触头系统处于动作状态。不正常运行时，各种脱扣器使自由脱扣机构处于脱扣状态，触头系统则自动转换到到复位状态。

一、发电机主开关的基本功能和结构1.触头系统：

框架式自动空气断路器触头系统可分为主触头系统和辅助触头，一般辅助触头有5～6组，既有常开触头也有常闭触头，可用于改变指示灯和其他控制电路的状态。

主触头系统为一般为三组常开触头组成，用来通断三相交流主电路。每组常开触头都分别由三对触头：主触头、副触头和弧触头组成。

主触头的这种结构，是为了在故障状态下断开故障大电流，减小故障大电流产生电弧对主触头的灼伤以及合闸时机械冲击造成的损坏。

发电机主开关的基本功能和结构主触头：主电路副触头：控制电路

主触头通断顺序：接通顺序：弧触头→副触头→主触头断开顺序：主触头→副触头→弧触头

发电机主开关的基本功能和结构

灭弧装置：交流自动空气断路器大多采用灭弧栅灭弧，灭弧装置(灭弧罩)由许多长短不同铁质栅片和绝缘材料构成。为减小电弧进入栅片的阻力，灭弧栅片做成“人”字形缺口，相邻栅片的缺口互相错开，按一定的间隔距离交叉排列。

灭弧栅片常安装在陶瓷底座上，为确保灭弧效果，灭弧装置应保持清洁干燥。

发电机主开关的基本功能和结构2.自由脱扣机构：

自由脱扣机构是触头系统和操作传动装置之间的联系机构。其作用主要是使触头保持闭合或迅速断开，具体功能有三个：①.将操作传递给触头系统；②.合闸后维持触头系统处于动作位置；③.保护动作时能自由脱扣，使触头复位。

发电机主开关的基本功能和结构四连杆机构3.操作机构：

操作机构用于控制自由脱扣机构动作，实现触头闭合或断开。主开关的合闸与分闸操作可有手动和自动两种操作方法，且都是通过操作机构控制自由脱扣机构动作，实现触头闭合或断开。

自动空气断路器操作机构常见有手柄式、连杆式、电磁式、电动式等。所有形式合闸前都应先将储能弹簧储能，使自由脱扣机构处于再扣位置，然后利用储能弹簧释放能量实现合闸。

合闸、分闸都可在现场操动操作装置完成，也可由电气遥控操作完成。

发电机主开关的基本功能和结构索引

船舶发电机主开关：

常见的船舶发电机主开关主要有：DW-94、DW-95、DW-98和AH(DW-914)等型式的自动空气断路器。

D表示自动空气断路器，W为万能式(即框架式)，9为船用系列，后面数字为系列号。AH为引进日本寺崎技术制造，国产型号为DW-914型。

船用自动空气断路器是在岸上使用的自动空气断路器基础上开发研制的产品，它们基本结构形式相似，主要是针对船舶恶劣环境增加防护措施。对应的陆用产品有：DW-05、DW-15等。索引二、发电机主开关的工作原理

1.发电机主开关的手动操作

DW94型的手动合闸：

DW-94型船用自动空气断路器的手动合闸为转动操作的型式，合闸时先将手柄摇38圈左右，通过涡轮、蜗杆传动将储能弹簧拉卡储能，自由脱扣机构“再扣”然后再摇2-4圈，使储能弹簧释放，以实现合闸。

摇动手柄使储能弹簧到位后，由内部传动机构带动的类似行程开关的触头将改变状态，实际可利用该触头与外部指示灯连接。指示灯亮，表示自由脱扣机构处于“再扣”位置，然后即可观察仪表，在合适时刻，再摇2-4圈，手动合闸。

DW95/98型的手动合闸：

DW-95型和DW-98型船用自动空气断路器的手动合闸也是转动操作的型式，合闸时需先将手柄逆时针转110°(DW-95)或90°(DW-98)，然后再顺时针转动一定角度，使储能弹簧储能，自由脱扣机构“再扣”。处于“再扣”位置，也有指示灯指示，再继续顺时针转动一定角度即实现合闸。

DW-95/98型克服了DW-94合闸时需要再摇2-4圈、合闸时刻不准的不足，能够比较准确地把握合闸时刻，提高手动合闸并车的成功率。

AH(DW914)型的手动合闸：

AH型(DW-914型)船用自动空气断路器的手动合闸的型式属于上下扳动操作的型式。

合闸时首先将手柄向下扳动，使储能弹簧储能，自由脱扣机构处于“再扣”位置，然后再将手柄用力推向上方，即可实现合闸。

AH型自由脱扣机构的“再扣”位置和“锁扣”位置，其手柄都有确切的位置对应，比DW95/98更容易准确控制合闸时刻，但合闸所需要的推力相对较大。

分闸操作一般只需按下“分闸”按钮即可。2.发电机主开关的电磁合闸

DW94型的自动操作：

发电机建立电压后，红色指示灯HL3亮，失压脱扣线圈获电，操作电动机M通电转动，使弹簧储能，直至凸轮将储能开关中常开触点闭合，黄色指示灯亮，表明储能弹簧已储能，自由脱扣机构己处于“再扣”位置。

合闸时，按—下合闸按钮SB1，电动机再次转动，使储能弹簧释放，主开关合闸。合闸按钮

DW98型的自动操作：

DW-95、DW-98型电动合闸采用电磁操作，发电机建立电压后，电容C充电。按下按钮SB，C对继电器KA放电，KA动作，接通合闸电磁铁YB线圈，储能弹簧拉长储能，“再扣”。电容两端电压下降，KA复位，YB断电，储能弹簧释放，合闸。合闸后再按SB，不再动作。

AH型的自动操作：

AH型采用电磁铁直推式合闸，发电机建压后，接通电磁控制开关，继电器KA1线圈通电，通过KA2使合闸电磁铁线圈YB得电，DW合闸。合闸后，通过KA3使KA1、KA2和YB都复位。

自动合闸要点：未合则YB可得电，已合或合上则YB失电。3.发电机主开关的保护元件

主开关的保护元件：主开关的保护是通过各种脱扣器实现的，主要有：电流脱扣器、失压脱扣器及分励脱扣器，通过它们对自由脱扣机构的作用可实现对主电路短路、过载、失压、欠压等保护及遥控分励操作。索引第六节船舶应急电源一般规范都规定客船和500总吨以上的货船应设有独立的应急电源。它可以是发电机，也可以是蓄电池组。作为应急电源使用的发电机称为应急发电机，考虑到一旦应急发电机组不能供电，或当主电网失电而应急发电机组还没来得及供电的时间内，应由蓄电池向应急照明和无线电通信等重要设备供电。应急发电机组称为大应急电源，应急蓄电池组称为小应急电源。

一般规范都规定客船和500总吨以上的货船应设有独立的应急电源。它可以是发电机，也可以是蓄电池组。作为应急电源使用的发电机称为应急发电机。应急发电机组应该具有独立的冷却装置和燃油供给单元，并设有满足规范要求的起动装置。当船舶发生火灾或其他灾害引起主电源供电失效时应急发电机组应能自动起动和自动连接于应急配电板，尽快地承载额定负载，最长时间不得超过45s。索引1、应急发电机

一、应急发电机及应急配电板

2.应急配电板一般位于艇甲板层。应急配电板通常只有发电机控制屏和负载屏，应急配电板上面安装的电器仪表与主配电类似，只是应急发电机不需要并联运行而无需逆功率继电器和同步表。应急配电板的接线应该保证在主发电机、应急发电机和岸电开关之间具有电气联锁，目的是为了防止非同步合闸（在几个电源之间）。电气联锁主要是通过这些电源开关的辅助触点实现的。索引主电网与应急电网间单线原理示意图（1）应急电网平时可由主配电板供电，只有在主发电机发生故障或检修时才由应急发电机组供电。（2）主配电板通过供电开关（EMCB）和联络开关（ABTS）连通应急配电板,联络开关与应急配电板的主开关之间设有电气联锁，以保证主发电机向电网供电（即主网不失电）时，应急发电机组不工作。索引（3）一旦主电网失电，联络开关自动断开，应急发电机组的自动起动装置经延时确认后，自动起动应急发电机组，并自动合闸向应急电网供电。（4）当主电网恢复供电时，应急发电机主开关立即自动断开，联络开关自动闭合，应急电网恢复由主电网供电，应急发电机组经延时自动停车。索引（5）平时需要检查和试验应急发电机组时，可把应急发电机工作方式选择开关置于试验位置，此时应急发电机组只能进行空载运行试验；进行效能试验时应将主配电板上的应急配电板供电开关（EMCB）分闸，使应急发电机组自动起动，并自动合闸向应急电网供电。索引在正常情况下联络开关闭合，重要负载经应急配电板由主电源供电，当主电源出现故障、主汇流排失电时，联络开关自动断开，应急电源则自动投入应急电网向这些重要设备供电。船舶电网这种连接方式是将应急电网视为主电网的一个组成部分。3.主电网与应急电网的连接方式船舶小应急照明，操纵仪器和无线电设备的电源均采用蓄电池供电，船舶须设置充放电板对蓄电池进行充电、放电，实现向用电设备正常供电。船上小应急电源使用的蓄电池有酸性（铅）蓄电池和碱性（铁镍、铬镍）蓄电池两种。船上一般采用酸性蓄电池，主要是因为其具有体积小，价格便宜，维护方便等优点。索引第七节船用蓄电池

1.酸性蓄电池：正极活性物质为二氧化铅(PbO2)，负极活性物质为海绵状铅(Pb)，电解液是浓度27％～37％稀硫酸溶液(H2S04)，比重1.28～1.31。放电时两极活性物质逐渐变成硫酸铅，电解液中硫酸减少、水增多，∴电解液浓度下降。充电时极板恢复为PbO2和Pb，电解液浓度增加。

化学反应式：

蓄电池电势E与电解液比重d之间的关系可由经验公式来表示为：E=0.84+d。∴判别酸性蓄电池充放电状态方法：①.测电势E，②.测比重d。

船用蓄电池

碱性蓄电池：

碱性蓄电池可分为镉-镍(Cd-Ni)、铁-镍(Fe-Ni)、锌-银(Zn-Ag)、镉-银(Cd-Ag)等系列。船用碱性蓄电池主要是镉-镍、铁-镍蓄电池。

化学式：

由化学反应方程式可见，碱性蓄电池充放电前后，作为电解液的KOH不变，充放电前后电解液的比重不变。

∴对碱性蓄电池充放电情况判断只能采用测量蓄电池两端电势大小进行判断，不能通过测量蓄电池电解液的比重间接判断。

船用蓄电池

蓄电池的作用是储存电能，其容量就是它储存电能的能力。储存电能多，可放电时间长。

∴蓄电池容量用其放电能力表示。一般规定充足电后，以标准放电电流(额定电流)放电，当放电电压达到终了电压(约为90％UN)时，蓄电池所释放的能量为蓄电池的容量Q。

即：Q=I×t，单位为：安时(A·h)。

标准放电电流，一般规定电解液温度为25℃时，充足电的蓄电池经过10h(酸性)或8h(碱性)，放电，正好达到终了电压的电流为额定电流。酸性蓄电池的电解液为比重1.285的稀硫酸。配置调整用酸性电解液的正确操作方法是：戴橡胶手套和防护眼镜，选择盛放器皿，将硫酸慢慢倒入蒸馏水中，使用比重计测量电解液的比重。蓄电池的容量：

（1）蓄电池的充电方法①恒压充电法②恒流充电法③分段恒流充电法：第一阶段充电电流调整在1/10额定容量值上进行充电；充电10h左右，单个电池上升至2.4V左右时（蓄电池可能会发出气泡），应转入第二阶段充电；第二阶段充电电流应调整在1/20额定容量值上进行充电；充电3～5h，调整电解液的比重，使其达到1.285左右；再按第二阶段充电电流充电1h，至此即完成了整个充电。④浮充法2.蓄电池的充放电蓄电池在使用过程中往往因长期充电不足，过放电或外部短路等原因使极板硫化，从而使充电电压和电解液相对密度都不容易上升。为了使蓄电池良好运行，对下列情况必须进行过充电：①蓄电池放电到极限电压以下；②蓄电池放电后，停放1～2昼夜没有及时充电；③蓄电池极板抽出过；④以最大电流放电超过限度；⑤电解液内混有杂质；⑥个别电池极板疏化，充电时相对密度不易上升。通常对长期担负工作的蓄电池，每月至少进行一次过充电。（2）蓄电池的过充电

过充电与蓄电池的充电方法：

所谓过充电，对于酸性蓄电池，是指在正常充电后，再用