船用獨(dú)立式應(yīng)急燈具的設(shè)計(jì)

王永光,錢志良

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215021）

船用獨(dú)立式應(yīng)急燈具的設(shè)計(jì)

王永光,錢志良

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215021）

船用照明,特別是應(yīng)急照明系統(tǒng)是十分重要的部分。對(duì)于緊急情況下船舶的能動(dòng)性，保證船員生命安全方面具有舉足輕重的重要意義。船用獨(dú)立應(yīng)急燈具因其使用環(huán)境復(fù)雜，部分使用位置的電壓、頻率等主要環(huán)境參數(shù)受周圍電器負(fù)載干擾因素較大。本文論述了船用獨(dú)立應(yīng)急燈具在應(yīng)急電器選配及設(shè)計(jì)過程中各種注意事項(xiàng)。

船用應(yīng)急燈具；應(yīng)急裝置；鎳鎘電池；鎳氫電池

1 船用應(yīng)急燈具按供電方式和控制方式組合分為如下七種類型

（1）自帶電源獨(dú)立控制型（2）自帶電源集中控制型（3）集中電源獨(dú)立控制型（4）集中電源集中控制型（5）子母電源獨(dú)立控制型（6）子母電源集中控制型（7）子母電源子母控制型

目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品以（1）類自帶電源獨(dú)立控制型為主（俗稱單體燈）,在國(guó)內(nèi)占產(chǎn)品總量80 %左右。（2）類集中電源集中控制型占有百分之十幾的份額。另外（3）類集中電源獨(dú)立控制型也占有少數(shù)份額,在一定環(huán)境內(nèi)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。其它（4）、（5）、（6）、（7）類產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟產(chǎn)品推 。本文討論的為（1）類自帶電源獨(dú)立控制型應(yīng)急燈具。

2 船用燈具所要經(jīng)歷的用電環(huán)境的特殊性

船舶在制造過程中，其用電環(huán)境有其獨(dú)特的幾個(gè)變化周期：

（1）岸電期：造船初期，直到船舶自備發(fā)電系統(tǒng)安裝調(diào)試完成使用前，船舶在船塢里使用的電源均為船塢岸上的陸地電源。實(shí)際上，整個(gè)造船過程中，80%以上的時(shí)間使用的是岸電。可能大家覺得岸電沒什么不好啊，穩(wěn)定可靠，大家平時(shí)生活用的都是跟船塢岸電一樣的陸地電源。岸電本身沒什么不好，問題是，船舶自有發(fā)電系統(tǒng)的最終電源配備指標(biāo)與岸電往往是有差異的。尤其是國(guó)內(nèi)船廠所承接的國(guó)外造船項(xiàng)目。船電的最終環(huán)境，往往是230V/60Hz，而我們的岸電環(huán)境是220V/50Hz。

（2）船電調(diào)試期：船舶自備發(fā)電系統(tǒng)安裝完成后的調(diào)試階段，這段時(shí)間，因發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)載之間的匹配問題，船廠會(huì)集中做一些調(diào)試，各種負(fù)載的頻繁開關(guān)，造成船舶本身用電環(huán)境較大的波動(dòng)。

（3）船電試航期：試航期船舶自備發(fā)電系統(tǒng)調(diào)試已完成，船舶上的用電環(huán)境基本會(huì)穩(wěn)定在一定的值上，這個(gè)最終可能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，如230V/60Hz，偶爾也可能會(huì)有某些參數(shù)有偏差，例如電壓始終會(huì)在238V上調(diào)不下來(lái)或著是223V左右上不去。

3 船用獨(dú)立應(yīng)急燈具的主要的電器配件及船用過程里會(huì)受到的影響

（1）鎮(zhèn)流器（LED燈具則為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)）

（2）電池組

（3）應(yīng)急裝置

上文講到了船舶在制造過程中，其用電環(huán)境有其獨(dú)特的幾個(gè)變化周期。電壓及頻率都會(huì)有較大的起伏。以鎮(zhèn)流器為例，鎮(zhèn)流器分電子與電感兩種（如果是LED燈具的話一般叫做LED驅(qū)動(dòng)），是燈具正常供電情況下，保證燈具正常使用的主要電器配件。鎮(zhèn)流器雖然不是應(yīng)急燈具的應(yīng)急電器，但是同裝在一個(gè)燈具內(nèi)，對(duì)于應(yīng)急器件依舊會(huì)產(chǎn)生很大影響。舉個(gè)典型的例子，如一需要求IP67的固定式熒光應(yīng)急燈具，選用的是230V/60Hz VS電感鎮(zhèn)流器，IP67要求的燈具封閉性能使得燈具內(nèi)部溫度很難散發(fā)出來(lái)，正常情況下如果用電環(huán)境是230V/60Hz，鎮(zhèn)流器的發(fā)熱會(huì)是在60-70攝氏度之間，但是造船岸電階段的用電是220V/50Hz，因?yàn)楹掌澋牟煌?jīng)測(cè)試鎮(zhèn)流器的發(fā)熱會(huì)升高到80-90攝氏度之間。這個(gè)20攝氏度的溫度提升，對(duì)于IP等級(jí)要求高的應(yīng)急燈具來(lái)說(shuō)是致命的。很可能出現(xiàn)的情況是，船還沒造完，電池組因?yàn)槟褪懿涣诉@樣的長(zhǎng)期高溫而全面報(bào)廢！

同樣的，電子鎮(zhèn)流器，LED驅(qū)動(dòng)，應(yīng)急裝置，電池組，都會(huì)直接或間接，不同程度的受用船上用電環(huán)境變化的影響。

4 兩種主流電池組

4.1 鎳鎘電池

鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，經(jīng)濟(jì)耐用。與其它種類電池相比之下，鎳鎘電池可耐過充電或放過電，鎳鎘電池的放電終止電壓為1.0V/cell；使用溫度范圍在-20℃～60℃，在此范圍內(nèi)可進(jìn)行放電。

鎘鎳電池的電池表達(dá)式為：（-）Cd|KOH（NaOH）|NiOOH（+）

電池反應(yīng)為：

放電時(shí)：Cd+NiOOH+H2O→Ni（OH）2+Cd（OH）2

充電時(shí)：Ni（OH）2+Cd（OH）2→Cd+NiOOH+H2O

4.2 鎳氫電池

鎳氫電池是有氫離子和金屬鎳合成的電池。它的電量?jī)?chǔ)備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。電池反應(yīng)為：

充電時(shí) 正極反應(yīng)：Ni（OH）2 + OH- → NiOOH + H2O + e-

負(fù)極反應(yīng)：M + H2O + e- → MH + OH-

總反應(yīng)：M + Ni（OH）2 → MH + NiOOH

放電時(shí) 正極：NiOOH + H2O + e- → Ni（OH）2 + OH-

負(fù)極：MH + OH- → M + H2O + e-

總反應(yīng)：MH + NiOOH → M + Ni（OH）2

單看兩種主流電池組的介紹，很多船舶設(shè)計(jì)工程師都會(huì)自然而然的認(rèn)為，選用使用鎳氫電池組的應(yīng)急燈具性能會(huì)更好一些，但是從實(shí)際的工程使用狀況來(lái)看，事實(shí)并非可以一概而論。很多情況下，鎳鎘電池所裝備的船用應(yīng)急燈具會(huì)比鎳氫電池裝備的應(yīng)急燈具表現(xiàn)的更好。

5 應(yīng)急裝置

應(yīng)急裝置是燈具應(yīng)急及電池組沖放電過程維護(hù)的主要控制器件。其品質(zhì)性能的優(yōu)越與否直接關(guān)系應(yīng)急燈具的生死。有的廠商認(rèn)為，使用一些簡(jiǎn)單的恒流（且電流要?。┏潆婋娐吩O(shè)計(jì)，不管有沒有計(jì)時(shí)器，都可以安全地為鎳氫電池充電，允許的長(zhǎng)時(shí)間充電電流為 C/10h（電池的標(biāo)稱電量除以10小時(shí)）。實(shí)際上，一些造價(jià)低廉的無(wú)線電話基地臺(tái)和最便宜的電池充電器正是這樣工作的。盡管這可能是安全的，但對(duì)電池的壽命可能會(huì)有不良影響。

6 船用應(yīng)急燈具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 鎮(zhèn)流器的選用

如無(wú)特別指明，盡量選用電壓及頻率范圍比較寬的電子鎮(zhèn)流器。因?yàn)楫?dāng)前一般的電子鎮(zhèn)流器的額定電壓范圍都可以涵蓋到220V-240V，額定頻率范圍都可以涵蓋到50-60Hz。這樣能有效的減少，造船過程中岸電船電用電環(huán)境轉(zhuǎn)換過程的影響。而且電子鎮(zhèn)流器，發(fā)熱量小，對(duì)于應(yīng)急燈具內(nèi)部應(yīng)急裝置及電池組的溫度影響也小。

6.2 應(yīng)急裝置及電池組的選用

因?yàn)閷?duì)于燈具廠家來(lái)講，很難逐一驗(yàn)證應(yīng)急裝置的電路設(shè)計(jì)原理及細(xì)節(jié)，所以建議盡量選用行業(yè)內(nèi)大的品牌技術(shù)成熟的應(yīng)急裝置及電池組套裝。例如TRIDONIC，OSRAM，PHILIPPS等。

6.3 整裝測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)使用測(cè)試

測(cè)試環(huán)境：船電參數(shù)，最高環(huán)溫，整裝燈具通電。

測(cè)試方法：完整的充放電3個(gè)周期，主要元器件周邊需放置測(cè)溫感應(yīng)點(diǎn)。

測(cè)試結(jié)果：測(cè)得3個(gè)應(yīng)急時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，不能有顯著下降的情況出現(xiàn)，否則失敗。測(cè)得的各元件周邊溫度不能有超出其所在元件Ta值的情況出現(xiàn)，否則失敗。

最大風(fēng)險(xiǎn)使用測(cè)試

測(cè)試環(huán)境：岸電參數(shù)，最高環(huán)溫，整裝燈具通電。

測(cè)試方法：完整的充放電3個(gè)周期，主要元器件周邊需放置測(cè)溫感應(yīng)點(diǎn)。

測(cè)試結(jié)果：測(cè)得3個(gè)應(yīng)急時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，不能有顯著下降的情況出現(xiàn)，否則失敗。測(cè)得的各元件周邊溫度不能有超出其所在元件Ta值的情況出現(xiàn)，否則失敗。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文主要綜合介紹了船用獨(dú)立式應(yīng)急燈具在設(shè)計(jì)方面所涉及的各種用電環(huán)境及主要電器配件，并對(duì)設(shè)計(jì)過程中的配件選型方法及測(cè)試原則進(jìn)行了闡述。雖然船用獨(dú)立式應(yīng)急燈具在整個(gè)船舶照明電氣設(shè)計(jì)中只占很小的部分，但關(guān)乎人員的生命安全，其重要性不言而喻。一旦發(fā)生由于設(shè)計(jì)不完善而造成人身傷害及財(cái)產(chǎn)重大損失將會(huì)給個(gè)人和社會(huì)帶來(lái)不可挽回的后果。

[1]鐘妙芬.淺談消防應(yīng)急燈具及其供電設(shè)計(jì)[J].消防科學(xué)與技，2001（02）：24-25.

[2]汪治華,張獻(xiàn)東.氫鎳電池組充電控制技術(shù)研究[J].電源技術(shù)，2013（03）：390-392.