舰船电力系统分析9787030786425

前言

第一章 舰船电力系统概述 1

第一节 舰船电力系统的组成、基本概念及基本要求 2

一、舰船电力系统的组成 2

二、舰船电力系统的基本概念、基本术语 3

三、舰船电力系统的基本要求 4

第二节 舰船电力系统的特点 6

一、舰船电站 6

二、发配电装置和电力网 7

三、电力系统负载的特点 7

四、舰船发电机的原动机的特点 9

五、电制 11

六、线制 12

七、舰船电力系统的电制优选次序 14

本章小结 15

练习题 15

第二章 舰船电力网络 17

第一节 概述 18

一、舰船电力网络的分类 18

二、舰船电力网络的基本要求 18

第二节 舰船电力网络的类型 20

一、干线配电制 20

二、馈线配电制 21

三、干馈混合配电制 21

四、环形供电制 22

五、网形供电制 23

第三节 舰船电力网络的实例分析 23

第四节 应急电网及事故电力网络 26

一、应急电网概述 26

二、事故电力网络概述 26

第五节 舰船综合电力系统 30

一、舰船综合电力系统概述 30

二、舰船综合电力系统的模块组成 32

三、舰船综合电力系统举例 37

四、舰船区域配电系统 42

本章小结 44

练习题 44

第三章 舰船电力负荷计算 45

第一节 舰船电力负荷的分类及其特点 46

一、舰船电力负荷的分类 46

二、舰船电力负荷的特点 47

第二节 舰船电力负荷的估算 49

第三节 按三类负荷法计算电力负荷 52

第四节 电力负荷的计算机仿真法 63

第五节 电站的选择与布置 68

一、舰船电站容量的确定 68

二、舰船电站的配置 69

三、舰船电站的布置 70

四、发电机组的选择 70

本章小结 71

练习题 71

第四章　舰船电力系统短路电流计算及汇流排设计 73

第一节 概述 74

一、短路电流计算的目的 74

二、短路电流常用计算方法比较 75

第二节 同步发电机和异步电动机的三相突然短路电流 78

一、同步发电机的三相突然短路电流 78

二、异步电动机的三相突然短路电流 80

第三节 舰船交流电力系统短路电流计算 81

一、短路电流的计算电路和阻抗 81

二、短路电流计算中需要计算的电流值 82

三、主汇流排附近短路时的短路电流 85

四、在主汇流排外馈线处短路时短路电流的计算 87

五、*小短路电流和短路功率因数 92

第四节 舰船交流电力系统短路电流计算实例 93

一、电力系统结构及计算参数 93

二、短路电流及短路功率因数计算 95

第五节 汇流排的设计 105

一、舰船电力系统汇流排的设计原则 105

二、舰船电力系统汇流排导体的长期发（散）热与载流量计算 106

三、舰船电力系统汇流排电动力稳定校验 114

本章小结 120

练习题 120

第五章　舰船用电缆的计算与选型 121

第一节 舰船用电缆和电线 122

一、舰船用电缆的工作特点 122

二、舰船用电缆和电线的结构 122

三、舰船用电缆的特性 123

四、舰船用电缆产品命名和代号 125

第二节 舰船用电缆截面的确定 127

一、舰船用电缆载流量表 127

二、网络工作电流的确定 128

三、舰船用电缆载流量的修正 129

四、网络电压损失的计算 131

五、舰船用电缆截面的网络计算 134

第三节 舰船用电缆的选择与敷设 135

一、舰船用电缆的选择 135

二、舰船用电缆的敷设原则 136

本章小结 137

练习题 137

第六章　舰船电力系统继电保护 139

第一节 舰船电力系统继电保护概述 140

一、舰船电力系统继电保护的基本任务 140

二、舰船电力系统继电保护的基本要求 141

三、舰船电力系统继电保护的基本原理 143

四、差动保护原理 144

第二节 舰船同步发电机的继电保护 144

一、发电机的过载保护 145

二、舰船同步发电机的外部短路保护 147

三、同步发电机的逆功率保护 148

四、同步发电机的欠电压保护 152

五、发电机定子相间故障保护 153

六、定子接地故障保护 155

第三节 框架式空气断路器及塑壳式自动空气断路器 157

一、舰船用框架式空气断路器 157

二、AH型框架式空气断路器 158

三、自动空气断路器的维护与检修 172

四、塑壳式自动空气断路器 173

五、自动空气断路器的额定值 175

六、根据极限转换能力选择断路器 176

七、过电流脱扣器的保护参数选择和整定 177

第四节 舰船电力网的继电保护 180

一、舰船电力网的过载保护 181

二、舰船电力网的短路保护 181

三、舰船电力网单相接地监视及绝缘检测 182

四、岸电供电的保护 188

五、汇流排差动保护 191

第五节 电力变压器继电保护 194

一、电力变压器继电保护概述 194

二、变压器的过电流保护、电流速断保护和过负荷保护 194

三、变压器低压侧的单相短路保护 195

四、变压器的纵联差动保护 198

本章小结 200

练习题 200

第七章 舰船配电装置 201

第一节 配电装置概述 202

一、配电装置的功能及其分类 202

二、配电装置的正常工作条件及技术要求 203

三、应急（停泊）配电板及其他配电装置 204

四、舰船直接测量式仪表 214

第二节 主配电板 228

一、主要功能 228

二、发电机控制屏 230

三、并车屏 230

四、负载屏 230

五、跨接屏 230

六、连接汇流排 231

本章小结 231

练习题 231

第八章 舰船中压电力系统 233

第一节 舰船中压电力系统概述 234

第二节 舰船中压电力系统基本知识 235

一、中压电力系统的电压等级 235

二、中压电力系统的结构 235

三、中压电力系统的特点 236

四、舰船中压电力系统防护要求 237

第三节 舰船中压电力系统实例 237

一、6.6 kV的中压主电力系统 237

二、400 V/50 Hz的低压辅助电力系统 239

三、400 V/50 Hz的应急电力系统 239

第四节 舰船中压电力系统接地技术 239

一、不接地方式 240

二、直接接地方式 241

三、消弧线圈接地方式 241

四、高电阻接地方式 242

五、接地方式的选择 243

第五节 舰船中压电力系统的配电装置与发电机保护 245

一、中压配电装置 245

二、中压发电机保护 250

第六节 舰船中压电力系统安全操作及检修注意事项 250

一、安全操作规程 250

二、舰船中压开关柜的五防措施 252

三、中压开关柜抗燃弧设计 253

第七节 中压岸电连接 255

一、中压岸电系统的组成 255

二、岸电系统的安全操作 256

三、中压岸电的连接方式 257

四、中压岸电系统的日常管理 258

本章小结 258

练习题 258

附录 259

附录A 电动机某工况下实际效率和功率因数 259

附录B 常用舰船电气设备的短路计算参数表 261

附录C 断路器短路分断能力的换算 262

附录D 变压器的阻抗换算 263

附录E 舰船交流电力三种标准界面电能品质特性 263

附录F 电力品质的定义 264

附录G 短路电流计算中常用符号和代号 266

参考文献 269

第一章 舰船电力系统概述

 随着舰船电气化、自动化的飞速发展，作为提供各型装备电能供给的系统—舰船电力系统，已经成为舰船*重要的组成部分之一。为使舰船电力系统能安全、可靠地运行，应对该系统有一个全面的认识和了解。

 本章概括地阐述舰船电力系统的组成、基本概念和基本要求，以及舰船电力系统的基本参数。

 第一节 舰船电力系统的组成、基本概念及基本要求

 一、舰船电力系统的组成

 舰船电力系统由电源及其控制设备、电力变换及其控制设备、电力配电网络及其控制设备组成。它与用电设备一起构成了舰船电气系统。其基本任务是按规定的品质向用电设备连续供电。

 舰船电力系统的单线简图如图1-1-1所示。

 图1-1-1 舰船电力系统的单线简图

 F-主发电机；DW-框架式开关；DZ-塑壳式开关；PSB-负载中心；FP-分配电板；MP-照明分配电板；B-照明变压器

 电源是将机械能、化学能等能源转变为电能的装置，舰船上常用的电源是发电机组或蓄电池。

 为了对电源和用户进行保护、监视、测量、分配、转换、控制而在系统中设置了配电装置。根据供电范围和对象的不同，配电装置可以分为主配电板、应急配电板、动力分配电板、照明分配电板和蓄电池充放电板等。

 为了适应不同用电设备对电源种类的要求，需要对电源电压、电流、频率进行变换，常用的变换器有变压器、变流机组、各种静止式变频器等。

 舰船电力配电网络是全舰电缆电线的总称，其作用是将电能与生产者（各种电源）和电能的消费者—负载（即各类用电设备）联系起来。舰船电力网络根据其所连接的负载性质可以分为动力电网、照明电网、应急电网、低压电网、弱电电网等。

 二、舰船电力系统的基本概念、基本术语

 下面给出在描述舰船电力系统时所采用的一些基本概念和基本术语。

 电站—电站是舰船电力系统的供电枢纽，是完成舰船供电的*主要环节，通常由一台或几台发电机组及主配电板组成。根据带动发电机的原动机的类型，常用的舰船发电机组有如下几种。

 （1）柴油发电机组—用柴油机带动发电机。目前，此种类型的发电机组用得*多。

 （2）蒸汽轮发电机组—用汽轮机带动发电机。

 （3）燃气轮发电机组—用燃气轮机带动发电机。

 电站可以布置在一个或几个地方，一个电站通常布置在一个单*的水密隔舱室内。

 主配电板—用于向电力网提供电源连接线、控制电力电源的工作、向主要的负载用户及负载用户群（配电中心）配送电能的综合装置。

 配电板—由仪器、仪表、母线构成的综合装置，用于完成设定的配电、参数调节、电气保护和电气设备工作的控制及监测等。

 舰船电力系统的工作状态—在某一瞬间或在一定时间范围内，系统具有某些特定的状况和数据组合的状态。

 状态参数—电力系统具有该状态特征数据组合的每一个数据（电压、电流、功率、频率等）。

 系统参数—由电力系统及其元器件所具有的特征数据及与它们彼此之间工作状态相联系的数据（电阻、电抗、电导、惯性常数等）组合的每一个参数。

 舰船电力系统结构—用图示或文字描述的系统所包含的元器件和它们之间的联系，以及元器件的功率等数据说明。

 舰船电力系统的配置—电气系统主要元器件空间布置的示意说明。

 电气接线图—电源与变换、配电装置，以及电能用户之间相互联系的示意说明图。

 电力系统的额定状态—舰船电力系统在额定条件下（符合规定的标准文件）的工作状态（即在规范的电能质量指示及没有故障的条件下）。

 故障状态—舰船电力系统在故障或事故发生，或者全系统中或者某个组件中的电能质量指标发生不允许的偏离时的工作状态。

 舰船电力系统的稳定状态—系统的状态参数没有实质的改变或者变化得非常缓慢的工作状态。半导体装置也可以用于这类工作状态，这类装置的结构、组成的特性常数在工作时会有所变化，但在电源一个周波的期间内的平均功率是不变的，也可以称为准稳定状态。与此类似，电力系统中满足平均功率不变的其他器件也可以认为是处于稳定工作状态。

 舰船电力系统的后故障状态—系统在排除故障以后的稳定工作状态（切除短路、发电机在不同步后的同步或者非同步接入后的同步等）。

 电力系统的过渡状态—系统从一个稳定状态到另一个稳定状态的过渡状态。

 舰船电力系统的有功功率储备—在状态参数允许的条件下，电能系统可用有功功率与负载功率的差额。

 其他一些概念和术语将在后续章节中分别阐述。

 三、舰船电力系统的基本要求

 舰船电力系统能在各种工况下完成其担负的任务，是对舰船电力系统的基本要求，即系统能以规范规定的品质向全舰电力负荷连续供电。这包括：

 （1）确保为保持舰船处于正常操作状态和满足正常居住条件所必需的所有电力辅助设备供电，而不需要求助于应急电源；

 （2）确保在各种应急状态下，可以向安全所必需的电气设备供电；

 （3）确保人员及舰船的安全，免受电气事故的危害。

 为此，系统相关设备应采用可靠而先进的技术，要求有*佳费用效益，贯彻统一和互换原则。同型舰船的电力系统组成和电气设备型号、性能一般应相同；设备的安装尺寸和安装位置应尽可能一致；同舰船上使用的同一型号、同一规格的电气设备应能互换；同一型号、同一规格的电气设备，其零部件（包括随舰备件）应能互换。舰用电气设备还应具备体积小、质量轻、结构简单、耐用、使用方便等特点。

 舰船担负战斗任务这一特殊使命对舰船电力系统的供电生命力、寿命、可靠性、维修性和安全性，以及适应环境条件的能力都提出了更严格的要求。

 舰船电力系统供电生命力要求必须和舰船总体的抗沉性相适应。当舰船遭受战斗损害而仍保持不沉时，剩余电站和配电网络的供电能力必须保证维持舰船机动性、必要的舰船生命力和*低限度的自身能力所必需的重要负载的供电，即要求系统及相关设备具有抗战斗损坏的能力。对大中型水面舰船应设置事故电力网络，能临时拉敷软电缆向电力系统遭受损害部位的重要设备供电。

 舰船电力系统的预期工作寿命应与舰船船体设计使用寿命一致。水面舰船电力系统中的发电机组、主配电板、负载中心（区配电板）和电缆线路等主要设备的预期工作寿命的为25年。

 舰船电力系统的可靠性应满足舰船战术技术指标书中规定的舰船出航可能性和任务可靠性要求。

 除去各类计划修理时间和航行检修时间外，电力系统功能正常可以保证舰船正常出航并且技术状态良好的概率，用电力系统可用度A0表示：

 电力系统可用度A0应大于0.98。

 舰船电力系统因内部的突然故障而造成的强迫停用在2000 h内不得超过1次。重要用电设备入口处的供电恢复应在规定的时间内完成。

 系统的基本可靠性由系统中所有可能产生抢救性维修要求的故障决定，用系统的平均失效间隔时间（mean time between failures，MTBF）表征，要求电力系统的MTBF不小于1000 h。

 系统的任务可靠性由系统中所有可能导致系统作战功能降低的故障决定，以系统的平均严重失效间隔时间（mean time between critical failures，MTBCF）表征，要求电力系统的MTBCF不小于10 000 h。

 对系统的维修性要求主要包括：

 （1）应具有良好的可达性；

 （2）应提高标准化和互换性程度；

 （3）应具有完善的防差错措施及识别标记；

 （4）应保证维修安全。

 为了达到舰船电力系统安全性的要求，应采用一切必要措施，识别并消除危险，减少风险，保证在寿命周期的所有阶段都能获得*佳的系统安全，这些措施包括：

 （1）采用*小风险设计；

 （2）采用安全装置（固定的、自动的等）将风险控制到可接受的程度；

 （3）采用报警装置，测出险情并及时地发出报警信号，以便采取措施，制止险情发展；

 （4）建立防护措施、规程或实行培训制度。

 舰船电气设备的工作条件比陆地恶劣得多，环境条件对电气设备的运行性能和工作寿命有严重的影响。例如，当环境温度高时，会造成电机出力不足，绝缘加速老化；若相对湿度高，则会使电气设备绝缘受潮、发胀、分层及变形等，使绝缘性能降低，并且会使金属部件加速腐蚀，镀层剥落；盐雾的存在、霉菌的生长和油雾及灰尘黏结都会使绝缘下降，使工作性能受到影响。此外，当舰船受到严重冲击和振动时，也会造成设备损坏、接触不良或误动作。由此可见舰船用电气设备必须满足“舰船用条件”的要求［《舰船通用规范总册》（GJB 4000—2000）］，这些条件包括下面几种。

 舰船用电气设备必须满足舰用条件的要求，主要包括以下几方面。

 （1）空气温度—水面舰船中电气设备在高温和低温下应能正常工作。高温：露天为60℃，一般舱室为50℃，水面舰船动力舱室为55℃，常规潜艇动力舱室为50℃。低温：露天为？30℃，水面舰船一般舱室为？10℃，常规潜艇一般舱室为0℃，动力舱室为0℃。

 （2）空气相对湿度为95%，并有凝露。

 （3）盐雾、油雾和霉菌—设备应考虑盐雾、油雾、霉菌的影响。

 （4）振动—安装在舰船上的电气设备应能承受舰船主机和螺旋桨所引起的船体振动。

 （5）颠震—安装在航速大于35 km/h的快艇上的电气设备应能承受海浪冲击船体所引起的船体颠震。

 （6）倾斜与摇摆—电气设备应能承受下列倾斜和摇摆：横摇为±45°，横摇周期为3～14 s，横倾为±15°，纵倾为±10°。

 （7）冲击—安装在舰船上的电气设备应能承受舰船自身火炮发射、兵器命中船体和水中兵器的近距离非接触爆炸所引起的船体猛烈冲击。

 对系统电磁兼容性的要求：电力系统中各分系统、电气设备在舰船电磁环境中能与其他系统（如警戒、指挥、武器等系统）相互兼容，均能正常地运行和工作；电力系统中任何电气设备不应对其他设备或系统的正常工作产生超过允许值的传导、辐射电磁干扰；有电子组件的敏感电气设备应具有足够的抗电磁干扰的能力。相关标准对军用设备、分系统电磁发射和敏感度给出了明确的要求。

 应通过合理的电磁兼容设计，采用抑制电磁干扰的方法（主要包括接地、隔离、屏蔽和滤波），使电力系统中所有电气设备（广义上包括非电力系统中的所有用电设备）均能在电磁污染的环境中正常可靠地工作。

 舰船电力系统的机动应变性要求：系统在允许的时间内，为应对操控或扰动的影响，从一个有效运行状态过渡到另一个有效运行状态的能力。它由这些因素所决定：基本的或备用电源的临时起动性能；由操控人员或自动控制系统对舰船电力系统重构决定的采纳和执行情况；保护系统的应对能力；事故预警自动装置的工作等。

 如上面所述，对舰船电力系统及其元器件的要求是多方面的，并在《舰船通用规范总册》（GJB 4000—2000）中做出了相应的规定。但同时也应注意到，这些要求有时是相互矛盾的，如高的可靠性、生命力、安全性等指标，与小的体积、重量及成本等指标是不相容的。因此再一次强调，在舰船设计、建造及不同的开发阶段，都要对舰船电力系统的多标准指标的课题做合理的处置与平衡，以实现系统总体性能的*佳化。

 第二节 舰船电力系统的特点

 舰船电力系统与大的陆地电力系统及其他较小功率的*立电力系统之间有着很大的差异，其固有的特点，表现在以下几方面。

 ……

本书共有八章。主要内容包括：舰船电力系统的组成、特点、参数；舰船电力网络类型及综合电力；舰船电力负荷计算和电站容量的确定；舰船电力系统短路电流计算及汇流排选择；电网导线截面积计算及电缆选择；舰船电力系统继电保护；舰船配电装置；舰船中压电力系统等。书中内容反映了舰船电力系统的最新技术与成果，可读性较强为了加深对基本理论的理解和对实际设备的认识，各章中尽量给出了装置或系统的典型线路，并做了较深入细致的分析。