09船舶电力系统组成及故障分析

大连海事大学毕业论文二一二年六月液密度L295g/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、岸电箱等主配电盘图5主配电盘单线图‘‘育鱼昆〃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脑侧推3号汇流排是由1A、IB经主变压器供给的AC220V电，负载主要包括220V照明应急配电盘#1应急变压器#2应急变压器图6应急配电盘单线图应急配电盘上有4号、5号汇流排，4号汇流排由由应急发电机供电供，供给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给AC220V交流电，

1、2号应急变压器,有互锁装置冲放电盘“育鲸〃在平台电工间、驾驶甲板电控间分别设有冲放电板如图驾驶甲板电控间自MSB#3380V馈电屏自ESB380V馈电屏LNP|低压助航分电箱驾驶甲板#22电力分电箱22P备用CJPF96/rec通用报警逆变器（船员）C02施放报警控制箱防CJPF96/hBC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口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4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那么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“育鲸轮〃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，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10s,“育鳏〃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,图8空气断路器控制原理图失压保护单元“KT〃、脱扣器“MN〃串接在AC220控制电源上，“KT〃检测到低电压时延时动作（可调节），当发电机低于一定值时延时使“MN〃断电，实现电网低压保护另外断路器失压脱扣器“MN〃在发电机电压低于额定电压40%时也不能维持吸合，即发电机低电压时使断路器分闸，主触点断开，发电机脱离电网，实现失压保护发电机在停止运转，或电压过低时，由于“KT〃、“MN〃保护功能，断路器保护性分断，合闸操作不能执行，防止发电机无电压情形接入电网，损坏发电机绕组“育鳏〃UnUn时，欠压保护装置才会输出电压，使“MN〃Un,由于欠压保护装置和“MN〃的欠压保护功能，断路器是不能合闸的

4.2逆功率保护“育龌〃功率保护由发电机控制器1PPU〕实现，由其提供检测通过欠压线圈“MN〃实现保护现在船舶电站使用PLC,只需输入电压和电流，PPU就能检测是否有逆功率没有逆功率时，PPU上的端口12和13相当于一个导线，端口11和12断开，当PPU监测到逆功率的时候，PPU上的端口12和13断开，断开了欠压线圈“MN〃的电源，“MN〃失电瞬时释放脱扣当待并发电机在刚投入运行时，由于存在频率差和相角差，在同步的过程中会引起待并发电机逆功率，但只要频率差和相角差在一定的范围内，短时的逆功率是允许的,所以逆功率保护应具有一定的延时逆功率的延时是在PPU里完成的，当监测到逆功率时,延时一定时间发出开关闭合信号

4.3船舶电网的保护船舶电网的保护主要是指电路的保护，如电缆的过载和短路保护、岸电保护、三相绝缘报警、主电网与应急电网及岸电的连锁等由于发电机和用电设备的短路过载保护装置通常设在靠近电源侧的出线端所以电网不设专门的保护而是与发电机和负载的保护共用一套保护装置船舶电网的另一种重要的保护是对三相三线系统绝缘的监测和岸电的保护，“育鳏〃用主配电盘上的绝缘指示灯来监视单相接地，用兆欧表监视电网绝缘电阻，从而能在绝缘电阻异常低时发出报警，保证平安船舶在接岸电时，当相序接错或少接一相时，电动机将发生倒转或单相运行，从而导致电力拖动装置在机械或电气方面受损或破坏，为了防止这样的事故发生，岸电应该设置相序及断相保护相序及断相保护由负相序继电器完成主电网与应急配电网及岸电的连锁是由主开关的常闭触点实现的，主发电机、应急发电机、岸电不能同时供电且主发电机有最高的控制权，当主发电机向电网供电时不允许岸电和应急发电机供电由图1知“育蛆”对此有双重保护，首先在应急发电机与汇流排之间有主开关常闭触电，而在应急配电盘与主配电盘的汇流排之间又设有一个开关可以可靠切断其联系，防止应急发电机与主发电机同时供电，岸电与主发电机之间的连锁原理与主发电机类似5船舶电站的自动控制船舶电站的自动控制主要是要求对突发事件故障能在无人操作情况下，准确无误的进行处理，保证电站正常工作发电机自动管理PPU“育鲸〃轮发电机采用DEIF公司multi-line系列产品发电机并联运行及保护管理单元PPU主要功能有三相交流电的参数测量显示，如三相电压、三相电流、频率、视在功率、有功功率、无功功率和功率因数等；准同步并车；柴油机自动调速，有功功率平均分配，调频调载；发电机自动调压，无功功率平均分配；逆功率保护及报警；电流保护及报警;过载保护及报警；过电压、欠电压、电压不平衡、过电流、电流不平衡、频率过高、频率过低监视及报警；总线、数字传输通信BUSBAR图9PPU连线图PPU工作电源24V,接受电网及发动机端三相电压、电流信号，通过控制主开关来进行保护功能，通过AVR来完成对发电机的控制，如电压自动调节，并联运行时的负载无功功率分配，也可以通过调速器控制发电机转速，同时检测信号在其液晶显示屏上显示，实现人机对话输入信号为发电机端电压，母线电压，发电机电流信号，同步指令信号，解列负载转移信号，发电机断路器状态信号，其他机组启动信号反应输出信号为同步并车合闸指令，解列指令，逆功率保护输出信号，柴油机调速信号，PPU异常报警，PLC通信信号等,可以以数字处理方式寻找并车时刻，发出合闸信号，实现同步并车；需要时发出解列信号进行负荷转移发电机电压自动调节带功率组件的可控硅自动电压调节器（AVR）,它的工作原理是通过控制可控硅的导通角来改变分流电阻的电流大小，使励磁电流发生改变，实现发电机电压恒定控制，从空载到额定负载，其稳态电压调整率为±

0.5%电压调节器由电源单元、电压反应单元

1、滤波单元

2、调节放大单元

3、脉冲单元

4、过压保护单元

5、外附电压设定调节电位器

6、全波整流电路（功率组件）V102等局部组成在励磁装置中，变压器输出交流电流经功率组件整流为直流电，它为励磁机提供励磁电流,功率组件的一个整流二极管并联一个由可控硅控制的分流电阻R101,在没有分流时励磁电流大到使发电机在额定负荷时电压为430伏左右在电压调节器中，设定电压〔电位器U）信号与电压反应信号在比拟放大环节中产生调节信号，经脉冲单元控制可控硅开度，从而控制分流电流大小，使励磁电流得到调节当电压超过额定值时，可控硅开度加大，励磁电流减小，发电机电压下降到额定值，反之，电压低时会使励磁电流加大，发电机电压上升到额定值，实现发电机电压稳定功率分配发电机并联运行时，有功功率的分配和无功功率的分配是非常重要的，功率在并联运行的发电机之间均摊，能够使发电机承载均匀合理，对柴油发电机组发挥效率延长使用寿命有着重要的意义有功功率的分配要靠原动机的转速降来分配，无功功率的分配需要靠电压来保证船用柴油机一般选用同型号、同参数、调速器调节特性根本一致的柴油发电机组，因此有功功率的分配要靠原动机的转速降来分配，既是并联运行柴油机组油门的分配，使用调速器调速手柄即可调节柴油机油门大小，到达功率平衡并联运行时，将承当功率小的发电机的油门加大，同时减小承当功率大的发电机油门，使两台发电机承当的功率趋于一致在调节过程中，注意电网频率的变化，当电网频率高于额定值时应同时减小两台发电机的油门，反之，同时加大油门，自动调频调载方式在许多船上得到应用无功功率分配实际上是无功电流的分配由于各发电机之间电势不等，在发电机之间会产生无功环流，使无功电流分配不均参数相同的两台发电机如果励磁电流相同，发电机电动势相等，因此调节励磁电流大小就可以实现无功功率分配“育鲸”轮发电机励磁系统中带有调差装置，工作原理为检测发电机R相的电流经电阻变换成电压信号由于cos

①二,

①=90°,该电压信号S—T相电压相迭加后其变化既是相无功电流的变化，将此电流信号传送到AVR中，AVR中反应出电压变化，控制励磁电流输出，从而调节发电机电压，即S—T相上的电压调节，因此无功电流变化时调差装置才对电压调节器起作用，两台发电机并联运行时其无功功率分配差度将依靠此调差装置来保证发电机单机运行时因无环流，因此调差装置不起作用调差装置调节发电机最大压降是额定电压、额定电流、功率因数

0.8时，压降为额定电压的

3.6%〔△乙厂=

62、/1—cos20///、）PPU控制自动并车工作原理如图8所示PPU得到手动按钮指令或者电站PLC的并车信号，假设2号发电机为运行发电机，1号发电机为待并发电机PPU控制器假设想进行频率调节、合闸操作、并车操作、模式选择等控制操作，那么25号端子输出为高电平当1号PPU控制器的25号端子为高电平时，即对1号PPU控制器发出并车指令，此时1号PPU控制器输出控制信号至1号发电机的速度调节器GOV,调节1号发电机的频率，将其控制在设置的频率范围内同时实时检测并车条件，比拟发电机与电网的频率、电压、相位之差，为保证超前并车,从允许并车的最大相差角度开始计时，接近允许并车最小相差角度时计时结束，在此期间满足所有并车条件，1号PPU控制器的内部核心单片机将根据主开关固有动作时间和实际频差进行计算，发出合闸脉冲信号，信号并不是连续的而是给出合闸脉冲，脉冲宽度随时间变窄并要求避开死区然后通过1号PPU控制器的

17、18号端子输出，控制1号主开关ACB1动作，实现并车电站PLC控制原理“育鲸〃轮采用西门子生产的模块式PLC,属自动管理中的上位机，以总线方式与下位机PPU通信，实现逻辑控制功能可实现功能有断路器连锁、发电机组重复起动、电网失电恢复、分级卸载、在网发电机组故障管理、应急电网失电管理以侧推询问来阐述PLC逻辑处理过程一台柴发供电，选择柴发供电侧推接收到侧推询问请求后，PLC发出起动第一和第二备用机组命令，如果两台都能起动成功，那么合闸并网，三台柴发并网供电后，发出母联合闸命令，三台柴发对全船和侧推供电，如果只有一台起动成功，那么在两台柴发并网供电的情况下，发出主机恒速请求，起动轴带发电机并分闸母联，分区供电此情况下只能由轴发供电侧推一台柴发供电，选择轴发供电侧推接收到侧推询问请求后，PLC发出起动第一备用机组命令和主机恒速请求命令，两台柴发并网供电，轴发对侧推供电多台柴发在网，选择柴发供电侧推接收到侧推询问请求后，如果还有剩余备用机组,那么起动备用机组，起动成功后，三台柴发并网供电侧推，由柴发供电侧推，如果备用机组起动不成功，那么发出主机恒速请求命令，恒速后轴发投励发电，轴发电压建立后，PLC发出母联分闸命令此时，由轴发供电侧推多台柴发在网，选择轴发供电侧推接收到侧推询问请求后，PLC直接发出主机恒速请求命令，主机恒速后，轴发投励发电，轴发电压建立后，母联分闸，轴发供电侧推如果主机不能恒速，或者母联分闸失败，此时起动备用机组，改由柴发供电侧推轴发对全船供电，选择柴发供电侧推接收到侧推询问请求后，PLC先判断此时在网负载是否小于柴发额定功率的85%,如果不是，那么先进行冷水机组下载，然后起动三台柴发，如果均能成功起动，待柴发电压建立后将轴发负载转移至柴发,对轴发分闸，由三台柴发并网供电，如果只能起动两台，那么由两台柴发和轴发分区供电此时，由轴发供电侧推轴发对全船供电，选择轴发供电侧推接收到侧推询问请求后，先判断是否需要进行冷水机组卸载，然后起动第一和第二备用机组，如果都能起动成功那么两台柴发和轴发分区供电，由轴发供电侧推如果母联分闸失败，那么对轴发分闸，起动剩余备用机组，由三台柴发并网供电此时柴发供电侧推6“育鳗〃轮电力系统故障分析及局部电路改良意见轴带发电机跳电导致瞬时全船失电在实习中一次海上航行时，当时航行由轴带发电机向全船供电突然轴带发电机电压波动，最后跳电造成全船失电，由于电站管理模式为自动，所以PLC自动发出

1、2号发电机起动命令并合闸并车重新恢复向全船的供电分析轴带发电机跳电原因如下1海况不良，风浪较大，主机转速波动较大，由于“育鲸〃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2电压自动调节装置失效其主要现象及原因有及解决方法如下发电机电压vUn整定电位器调节无效可能的原因有驱动转速太低，应检查原动机调速器；旋转整流器故障，断开二极管的连接检查二极管的正反向阻值，更换二极管；电压调节器故障；更换电压调节器或应急运行；整定电位器回路内的故障;排除外附整定电位器连接引线中存在的短路故障或将外附整定电位器引线进行连接电压和电流震荡可能的原因有转速震荡，应检查原动机调速器；电压调节器上的电位器正定位置不对，调节调节器上的电位器K、T,使与检验证书注明的位置相一致或调节电位器K和T使调压器与电站要求相符外附整定电位器不起作用原因分流回路电阻R101整定位置不对，应增加R101电阻并联运行时无功分配不均匀原因电压电位器上的电位器整定位置不对，对带有调差装置的发电机按试验合格证书上记录的刻度位置，调节调差电位器S；调差互感器与电压调节器之间的引线有开路或短路，排除短路或开路故障，在有开路故障的情况下检查电流互感器和插件X2o原因励磁回路开路应检查插件X2,检查接线端子排X7,检查整流器和电抗器的插头连接情况；励磁机剩磁缺乏，经隔离二极管将Fl、F2与直流电源短时间接通充磁；主机或励磁机的绕组有匝间短路或开路，检查冷态时发电机绕组电阻Un整定电位器调节无效可能原因驱动转速太高，检查原动机的调速器；电压调节器故障，更换电压调节器或应急运行；调节器输入端实测值被中断，检查连接插件XI,检查端子V、W与连接插件XI间的连接情况故障的排除由于当时海况良好所以不可能是因为主机的转速波动造成，经检查发现轴带自动电压调节器〔AVR）装置中用于调节电压设定值的外附电位器的一路导线断开，由AVR的原理可知当失去比拟环节整个AVR的调节将失效造成轴带发电机跳电，将导线重新连接后恢复正常对“育蛆〃轮局部电路改良意见82释放FU1图11应急迫断控制箱电路如下图是“育鳏〃轮应急迫断控制箱电路简图，控制应急情况下的风油切断，整个主回路有许多不可靠点，如两个熔断器处，C02释放处触点的连接和各支路与主回路的连接点都可能造成主回路的断路故障从而导致接触器线圈失电造成非人为的风油切断，风油切断可以在机器处所失火的情况下停止强力送风机或抽风机、燃油驳运泵和燃油装置所用泵及其他类似的燃油泵，所以当其误动作将对整个船舶航行造成巨大的威胁针对以上提出两点改良意见

1.取消在主回路上的熔断器，对于应急设备失电对整个系统产生的影响不可估量，所以要求其在某些可能超出其正常工作范围的情况下仍能工作，可添加延时保护装置增加其可靠性船舶电力系统组成及故障分析专业班级轮机2021级18班姓名盖金龙指导教师王占吉轮机工程学院

2.在主电路中参加UPS,UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成局部的恒压恒频的不间断电源当正常供电时，UPS稳压后供给给负载使用，此时的UPS就是一台交流稳压器，同时它还向机内电池充电；当供电中断〔事故停电）时，UPS立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏且UPS设备通常对电压过大和电压太低都提供保护，这样即保护了应急电路总结随着科技的开展船舶电力系统在船舶营运中的地位越来越高，各种设备对电力系统的依赖性越来越大，电力系统的可靠性，连续性直接影响到船舶平安本文介绍了育蛆轮电力系统的组成，分析了各组成局部的原理和电站自动控制的局部内容，并对轴带跳电造成全船失电事故进行了分析总结，电力系统的每一处微小的失效可能导致威胁船舶平安的大故障，这种失效可能来源于船舶制造时的隐患、恶劣海况的影响、人员管理的失误，所以作为管理人员在重视日常维护的同时应加强系统的分析并对存在的隐患进行逐一的排除，才能保证船舶的平安最后电机员王占吉老师在本人写论文期间给予很大帮助，在致以崇高的敬意和真挚的感谢!【参考文献】⑴赵殿礼.船舶电气设备与系统.大连:大连海事大学出版社，

2021.⑵吴志良.船舶电站及自动化系统.大连:大连海事大学出版社，202L

[3]李世臣.海上轮机实习.大连:大连海事大学出版社，

2021.

115.

125.

②C—4—8X2—X3Al CV2X40a\r-2K—3V03-7-Vo—9lU—12X4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，TIT2T3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局部组成如下图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应过程，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，正常运行轴带发电机育鳏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S0—o Ro-o额定功率650kW；额定转速1500r/m；额定电流:U73A；电制AC/34/400V/50Hzo由于主机转速170r/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 FIELDSTATOR图4轴带发电机原理图如下图“育鲸〃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局部组成励磁装置是由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“育鳏〃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“育鲸〃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。