船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
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摘要：隨著我國綜合通航能力的提高和造船業(yè)的不斷發(fā)展，軍用船舶、商用船舶和民用船舶的制造技術(shù)已達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。電動(dòng)機(jī)械和設(shè)備的普及，使得各類船舶的電力動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜化和多樣化。為了保證整個(gè)船舶在海上的正常運(yùn)行，必須確保船舶電力系統(tǒng)在技術(shù)上的穩(wěn)定和安全，防止電路電網(wǎng)波動(dòng)等事故。本文就船舶電力系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，以及如何提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了一些看法。
關(guān)鍵詞：船舶；電力系統(tǒng)；穩(wěn)定性
1前言
海洋運(yùn)輸主要依靠大型船舶，而中大型船舶，動(dòng)力來源和各類通信都離不開船舶的電力系統(tǒng)，船舶的運(yùn)輸量大，承載著很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此一個(gè)穩(wěn)定的船舶電力系統(tǒng)，是保證船舶安全的必要條件，更直接關(guān)系到國家或企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，是電氣時(shí)代船舶的重要研究方向，是在當(dāng)前航海氣候環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜條件下對(duì)船舶整體穩(wěn)定性提出的新要求。
2船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成
2.1電力系統(tǒng)的組成
從通常的情況來看，新型的大中船舶的電力系統(tǒng)包括電能發(fā)生裝置，配電裝置，供電網(wǎng)絡(luò)和電阻負(fù)載等部分。這些構(gòu)成部分是由電力發(fā)生，統(tǒng)籌分配，傳輸和消耗幾個(gè)單元結(jié)合的。另外，電源單元的主要作用是供電，通常使用交流發(fā)電機(jī)和大型變電裝置。低功率的工作條件下，船舶電網(wǎng)將采用單臺(tái)柴油機(jī)組來進(jìn)行供電，而在高功率的工作條件下，船舶電力系統(tǒng)則采用多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)供電。統(tǒng)籌分配裝置主要負(fù)責(zé)已有電力的分配和電網(wǎng)的控制，并采用適當(dāng)?shù)木幊谭绞綄?duì)不同的電氣設(shè)備進(jìn)行分類管理，最終達(dá)到穩(wěn)定電網(wǎng)的目的。供電網(wǎng)絡(luò)是通過電路將所有電氣、電子設(shè)備與供電電纜連接，最終形成復(fù)雜而又整齊的電路網(wǎng)絡(luò)。首先要有電能發(fā)生裝置，也就是我們常說的發(fā)電裝置。船舶電網(wǎng)不同于城市電網(wǎng)，船舶供電網(wǎng)絡(luò)線路較短，且海上工作環(huán)境復(fù)雜，在這種限制條件下，輸電線路中必須使用防水、防潮的電纜，這就造成了成本價(jià)格高，維修困難，工作環(huán)境復(fù)雜多樣。船舶電路中，另外比較重要的一部分是電阻，包括工作電阻和電熱電阻，工作電阻主要是為了保護(hù)電路中的高精尖設(shè)備，防止電流不穩(wěn)定造成破壞。船舶的電源發(fā)生系統(tǒng)一般采用400V電氣系統(tǒng)。電流分為直流、交流；交流船舶的電氣設(shè)備在維護(hù)、保養(yǎng)等方面工作量比直流船要少很多，且交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、運(yùn)行可靠，起相應(yīng)的設(shè)備也簡(jiǎn)單。交流船舶又分成單相交流電、三相三線絕緣系統(tǒng)、三相四線系統(tǒng)。三相三線絕緣系統(tǒng)應(yīng)用最普遍。這種方式安全可靠，照明電網(wǎng)與動(dòng)力電網(wǎng)間沒有電的直接聯(lián)系，互相影響?。浑娋W(wǎng)對(duì)地絕緣好的時(shí)候，船員不小心碰到電網(wǎng)的任何一根線時(shí)，不至于造成觸電傷亡事故；發(fā)生單相接地時(shí)，并不形成短路，仍可維持電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。三相四線系統(tǒng)，因不是絕緣系統(tǒng)，船員碰到任何一根電網(wǎng)線時(shí)，容易發(fā)生觸電傷亡事故；當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，即形成短路，有可能會(huì)發(fā)生跳電試圖，因而船舶較少采用。頻率均選用陸上的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，50HZ60HZ。提高頻率在一定范圍內(nèi)可提高自動(dòng)化系統(tǒng)動(dòng)作的快速性，可減少電機(jī)、變壓器、換能器、自動(dòng)化元件的重量和尺寸，但對(duì)電纜以及電力系統(tǒng)的其他元件卻有相反的作用。頻率的提高還要有配套的高速機(jī)械裝置和高速軸承，還會(huì)導(dǎo)致交流阻抗增大，損耗也增大。同時(shí)，高速運(yùn)行機(jī)械噪音也較大，另外船舶電力系統(tǒng)較為脆弱，容易出現(xiàn)未知的錯(cuò)誤，因此需要設(shè)置應(yīng)急供電。當(dāng)正常供電系統(tǒng)因各種意外情況處于供電中斷狀態(tài)時(shí)，應(yīng)急供電系統(tǒng)能立即自動(dòng)啟動(dòng)，保持船舶各種電力設(shè)備正常運(yùn)行。
2.2船舶電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和工作方式
船舶電力系統(tǒng)各部分裝置的功能和作用大不相同，根據(jù)一定的分類條件，通常可以將船舶電力裝置分為以下兩種類型：電源裝置和負(fù)載裝置。一般情況下，電源轉(zhuǎn)換設(shè)備是獨(dú)立進(jìn)行供電的，以確保自己的獨(dú)立操作條件下具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性。然而電力轉(zhuǎn)換裝置的不同形式的串聯(lián)，平行并聯(lián)，復(fù)合串并聯(lián)等接電方式的不同都會(huì)影響船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。每個(gè)電源轉(zhuǎn)換裝置的交互和行動(dòng)會(huì)影響配電系統(tǒng)的性能和模塊本身。電網(wǎng)是全船電纜電線的總稱。是聯(lián)系發(fā)電機(jī)、主配電板、分配電板和負(fù)荷見的中間環(huán)節(jié)，是將電源的電能輸送到負(fù)荷端的媒介。電網(wǎng)根據(jù)連接的負(fù)荷性質(zhì)可分為：動(dòng)力電網(wǎng)、照明電網(wǎng)、應(yīng)急電網(wǎng)、低壓電網(wǎng)、弱電電網(wǎng)。在海上航行時(shí)，船舶的電力系統(tǒng)電壓普遍不高，但由于其回路較短，總電阻較小，所以實(shí)際電流往往過大，很容易造成過載現(xiàn)象的發(fā)生，因此必須配備實(shí)時(shí)電流檢測(cè)器和保護(hù)器來保護(hù)船舶電網(wǎng)的安全。船舶上各性質(zhì)相近的用電設(shè)備都由相應(yīng)的單獨(dú)電網(wǎng)供電，可分為：船舶電力網(wǎng)，由總配電板直接供電，供給各種船舶輔機(jī)的電動(dòng)拖動(dòng)。照明電網(wǎng)，提供船舶內(nèi)外照明。弱電裝置電網(wǎng)，包括電傳令鐘、舵角指示器、電話設(shè)備、火警信號(hào)及警鈴等。應(yīng)急電網(wǎng)，包括應(yīng)急照明、應(yīng)急動(dòng)力（如舵機(jī)電源）、助航設(shè)備電源等。其它裝置電網(wǎng)，如充電設(shè)備、手提行燈等。船舶電網(wǎng)很小，如果有較大負(fù)載準(zhǔn)備掛網(wǎng)運(yùn)行，船舶電力系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向集控臺(tái)中央處理系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，并且啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組備用，增大電站容量來防止電網(wǎng)波動(dòng)。要注意防止漏電，保證在船舶上有限的電能能夠盡量應(yīng)用到動(dòng)力上去，船舶電力系統(tǒng)工作范圍小，因此設(shè)備應(yīng)當(dāng)更加精密，防止出現(xiàn)不必要的問題。還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)船舶電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢修和監(jiān)管，船上要配備專業(yè)的電工人員，不斷的對(duì)整船的電網(wǎng)和發(fā)電裝置等進(jìn)行巡回檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)疏漏之處，并及時(shí)地修復(fù)，避免出現(xiàn)大的問題。
3如何提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性
3.1通過matlab建模方法進(jìn)行提高
機(jī)械、電氣以及航海雷達(dá)等自動(dòng)化數(shù)字控制技術(shù)逐漸被應(yīng)用到航海船舶設(shè)計(jì)和駕駛當(dāng)中去，這就對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求，電力工程師在進(jìn)行基礎(chǔ)的電力模塊設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要遵循基本的電路設(shè)計(jì)規(guī)程，還要注意船舶不同工作環(huán)境下其動(dòng)態(tài)特性等其他特殊條件的分析考證，有必要為船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供準(zhǔn)確，可靠，快速，有效的計(jì)算方法。具體數(shù)據(jù)安排方法，采用二叉樹形式的計(jì)算機(jī)語言來表示。數(shù)學(xué)物理建模，主要是通過C語言和C++語言，在MATLAB等計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)編程環(huán)境下，進(jìn)行模擬模型的建立。通過模型建立之后，再對(duì)船舶電路電網(wǎng)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行實(shí)際的模擬，可以看出，船舶電力系統(tǒng)的紊亂主要是電流不穩(wěn)定引起的，通過建模還能找到最佳的解決方案，幫助紊亂的船舶電力系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)盡快恢復(fù)到正常水平，避免發(fā)生更大的麻煩，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。船舶電力系統(tǒng)的核心主要是發(fā)電系統(tǒng)、輸電網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載等，可以圍繞船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)建模展開，重點(diǎn)是對(duì)是船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究，這是數(shù)學(xué)物理模式過程中的關(guān)鍵內(nèi)容。發(fā)電機(jī)主要有電力發(fā)生裝置和電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)主要是由法拉第電磁產(chǎn)生原理來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此要注意防止磁化等現(xiàn)象的發(fā)生，防止對(duì)航海雷達(dá)和羅盤等造成干擾。航海船舶最重要的是安全，電力系統(tǒng)能否在各種惡劣條件下保持穩(wěn)定，是能否保證航海安全性的最重要的部分。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，關(guān)鍵是靠保護(hù)電路的穩(wěn)定電阻，又稱穩(wěn)定負(fù)載，負(fù)載的設(shè)計(jì)也有許多規(guī)程可循，首先，負(fù)載要設(shè)計(jì)的合理均衡，電阻負(fù)載的合理串聯(lián)和并聯(lián)，可以大大提高船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，避免造成更大的破壞。其次，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)問題不能正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)需要具備應(yīng)急機(jī)制。船舶電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)無法預(yù)見的小故障，而顯得故障不及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行整改修補(bǔ)，可能會(huì)釀成大禍，給航海安全造成威脅，因此，要通過數(shù)學(xué)物理建模的方法，盡可能的模擬航海電路可能出現(xiàn)的問題，并加以預(yù)防。
3.2通過軟件計(jì)算的方法進(jìn)行提高
信息時(shí)代，任何計(jì)算等都可以使用微型計(jì)算機(jī)來進(jìn)行，各種計(jì)算和模擬分析的軟件也是層出不窮，模擬的真實(shí)性也越來越高，可信度和有效性都越來越好。此外，船舶電源發(fā)生故障的過程可以通過計(jì)算機(jī)的數(shù)字模擬軟件進(jìn)行模擬分析和優(yōu)化。這些都是計(jì)算機(jī)軟件工具，相比傳統(tǒng)的計(jì)算方法，可以節(jié)省人力和時(shí)間。船舶的閉合電路系統(tǒng)是很小型但是復(fù)雜多樣的，人工模擬是不現(xiàn)實(shí)的，而通過計(jì)算機(jī)軟件便可以輕易的解決?，F(xiàn)在新型中大船舶的電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的難度也越來越大，以往的簡(jiǎn)單PC端的電腦軟件已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)有的需求，因此需要及時(shí)地推出新的微機(jī)計(jì)算軟件來對(duì)電力電路系統(tǒng)進(jìn)行模擬，繪制電路圖和工程圖像，進(jìn)行合理的分析。
4結(jié)語
船舶運(yùn)輸，作為目前國內(nèi)外大型設(shè)備和人員的客貨兩用運(yùn)輸途徑之一，在交通運(yùn)輸業(yè)當(dāng)中發(fā)揮著巨大的作用，在海洋經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的今日，水路運(yùn)輸更是離不開船舶技術(shù)的發(fā)展，而航海安全是首要保障。為了給客貨運(yùn)輸提供更好的服務(wù)，應(yīng)當(dāng)在船舶設(shè)計(jì)過程中，注意電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，控制電力系統(tǒng)在工作時(shí)候的穩(wěn)定性，為船舶電力的穩(wěn)定性做出保障，為航海安全性的提升做出貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
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作者：吳東寶 單位：廣州港工程管理有限公司
