一種帶優(yōu)先級(jí)的實(shí)用新型船用自動(dòng)轉(zhuǎn)換主配電板設(shè)計(jì)

摘要：當(dāng)前西江流域內(nèi)河貨船普遍選用的手動(dòng)轉(zhuǎn)換型主配電板，其特點(diǎn)是全程需要人員介入操作，較為不便和落后，不符合當(dāng)前內(nèi)河船舶自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。文章設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)轉(zhuǎn)換且?guī)?yōu)先級(jí)的實(shí)用型船舶主配電板，對(duì)提高西江流域內(nèi)河船舶電網(wǎng)的自動(dòng)化程度有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：主配電板;自動(dòng)轉(zhuǎn)換;優(yōu)先級(jí)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U665.11-A-56-200-4

0 引言

在船舶電網(wǎng)中主配電板的作用非常重要，電站發(fā)出的電能只有通過(guò)主配電板才能最終分配到各個(gè)用電終端，可以說(shuō)主配電板是否可靠直接關(guān)系到船舶電網(wǎng)能不能穩(wěn)定運(yùn)行[1]。本文設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)轉(zhuǎn)換型主配電板，其特點(diǎn)是合閘后不需人為介入轉(zhuǎn)換操作、自帶優(yōu)先級(jí)、實(shí)用，并通過(guò)樣品車(chē)間測(cè)試來(lái)驗(yàn)證其可靠性。

1 主配電板容量選擇

只有確認(rèn)了主配電板的容量才能夠選擇主配電板箱體尺寸、線路布置和元器件型號(hào)

，這是設(shè)計(jì)一套主配電板的前提。本文為提高設(shè)計(jì)出來(lái)的主配電板的實(shí)用性，選擇主尺度為73.8 m（船長(zhǎng)）×15.8 m（船寬）×5.7 m（型深）、總重為2 437 t的船型，這種船型在當(dāng)前的西江流域較為流行。

確定船舶電站的容量后則可知主配電板的容量，因兩者容量相等?！秲?nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2019）[2]規(guī)定此類(lèi)貨船必須同時(shí)設(shè)置兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，考慮到船舶停泊狀態(tài)下的用電需求和接入岸電的需要，再預(yù)留出24 kW停泊發(fā)電機(jī)和10 kW岸電的兩個(gè)接口，這樣該套主配電板總共有4個(gè)電源接入口，分別是30 kW、30 kW、24 kW和10 kW。

2 主配電板轉(zhuǎn)換部分

考慮到并車(chē)功能需要大幅增設(shè)線路和儀表，由此大幅增加成本和主配電板箱體體積，因此該套主配電板不設(shè)置并車(chē)功能，每臺(tái)發(fā)電機(jī)及岸電只能單獨(dú)供電，這就需要主配電板接入的4個(gè)接入電源要相互聯(lián)鎖，不能并網(wǎng)，且優(yōu)先級(jí)應(yīng)排列為：主發(fā)電機(jī)（2臺(tái)30 kW）>停泊發(fā)電機(jī)（24 kW）>岸電（10 kW）。如何實(shí)現(xiàn)互鎖和優(yōu)先級(jí)功能需要線路布置和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的協(xié)調(diào)配合，本文采用線路如圖1所示。

對(duì)以上電路進(jìn)行分析可以得出優(yōu)先級(jí)：1 G（30 kW）>2 G（30 kW）>3 G（24 kW）>岸電（10 kW），用戶可以自主選擇性能最好的一臺(tái)發(fā)電機(jī)組作為優(yōu)先級(jí)最高的1 G。自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能的關(guān)鍵元件，本文選擇由上海格馳生產(chǎn)的GCQ4型號(hào)，隔離級(jí)別為PC級(jí)，其集開(kāi)關(guān)與邏輯控制于一體，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，具有電壓檢測(cè)、通信接口、電氣機(jī)械互鎖等功能，還有電氣鑰匙鎖供自動(dòng)轉(zhuǎn)換失效狀態(tài)下的緊急手動(dòng)操作。該型號(hào)是經(jīng)市場(chǎng)長(zhǎng)期檢驗(yàn)的成熟產(chǎn)品，性價(jià)比較高。

3 主開(kāi)關(guān)部分

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）[3]的要求，船舶30 kW的主電源必須設(shè)置過(guò)載和短路保護(hù)功能，考慮到該船還設(shè)置了大量的輔助及生活用電機(jī)，船用電機(jī)若是長(zhǎng)期在欠壓狀態(tài)下運(yùn)行，輕則影響使用壽命，嚴(yán)重的話會(huì)造成堵轉(zhuǎn)從而燒毀電機(jī)。因此從保障船舶電網(wǎng)的安全性角度出發(fā)，主開(kāi)關(guān)必須同時(shí)具備過(guò)載、短路和欠壓保護(hù)功能，這對(duì)于主開(kāi)關(guān)型號(hào)的選擇就顯得尤為重要。本文根據(jù)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇上海人民開(kāi)關(guān)廠生產(chǎn)的CXM1-63H/4型塑殼斷路器，并搭配DB-A型多功能保護(hù)器，由塑殼斷路器提供通斷和隔離功能，多功能保護(hù)器提供過(guò)載、短路和欠壓保護(hù)功能，使得主配電板在保障船舶電網(wǎng)安全的同時(shí)又能保持穩(wěn)定可靠（如圖2所示）。

圖2中的KT是啟動(dòng)避讓時(shí)間繼電器，時(shí)間設(shè)置為1 s，它可以將接入主配電板的4個(gè)電源間的轉(zhuǎn)換時(shí)間控制在1 s內(nèi)。多功能保護(hù)器的過(guò)載、短路和欠壓動(dòng)作時(shí)間設(shè)置如表1所示。

4 儀表部分

考慮到主配電板所處機(jī)艙惡劣的使用環(huán)境，本文選擇較為穩(wěn)定可靠的指針式儀表。為保證儀表顯示，準(zhǔn)確度，應(yīng)將船舶電站的額定電壓和電流數(shù)值控制在儀表量程的2/3范圍，精度按要求須在1.5級(jí)以上。線路如圖3所示。

因?yàn)槭褂檬謩?dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)轉(zhuǎn)換三相電流和電壓顯示，因此必須設(shè)置通斷表如圖4所示。

5 總圖

再加上負(fù)載部分，就完成了主配電板的電氣設(shè)計(jì)圖紙如圖5所示。

6 主配電板樣品的車(chē)間測(cè)試結(jié)果及缺陷處理

在車(chē)間對(duì)樣品的功能性測(cè)試中，主配電板能順利通過(guò)各項(xiàng)效用試驗(yàn)并且運(yùn)行穩(wěn)定，表明設(shè)計(jì)獲得了成功，但也出現(xiàn)了一個(gè)意想不到的缺陷：當(dāng)同時(shí)有兩個(gè)以上的發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，比如1 G和2 G同時(shí)運(yùn)行時(shí)，雖然按照優(yōu)先級(jí)此時(shí)只有1 G在供電給用電負(fù)載，2 G屬于空載運(yùn)行并不供電，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)不并車(chē)，但是主配電板上的1 G和2 G發(fā)電指示燈卻同時(shí)亮起，給用戶傳遞出1 G和2 G兩臺(tái)發(fā)電機(jī)都在供電的錯(cuò)誤信息。

為了解決這個(gè)缺陷，本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)處理方案。方案1是再增加一排合閘指示燈，指示燈一端為中性線5 N，另一端為1 G、2 G、3 G、岸電ABC三相的任意一相。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外增加元器件，接線簡(jiǎn)單方便;缺點(diǎn)是測(cè)試平臺(tái)需要4個(gè)完全相互獨(dú)立電源，且前提是中性線5 N必須接地，也就是只適用于三相四線中性點(diǎn)接地的船舶電網(wǎng)系統(tǒng)（如圖6所示）。

方案2也是增加4個(gè)合閘指示燈，但采用繼電器使合閘指示燈間互相聯(lián)鎖，使得任意時(shí)刻只有一盞指示燈亮，準(zhǔn)確指示出哪一路發(fā)電機(jī)或者岸電正在供電。其優(yōu)點(diǎn)是邏輯清晰，測(cè)試平臺(tái)簡(jiǎn)單，且適用于任何船舶電網(wǎng)系統(tǒng);缺點(diǎn)是需要額外增加元器件，接線較復(fù)雜，如圖7所示。

綜合比較方案1和方案2，本文選擇了全面性占優(yōu)的方案2。優(yōu)化后的主配電板電氣總圖見(jiàn)圖8，經(jīng)測(cè)試已經(jīng)完全消除了上文描述的缺陷。

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的船用主配電板擁有自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，解決了傳統(tǒng)主配電板全程需要人工介入操作的問(wèn)題，且自帶優(yōu)先級(jí)，經(jīng)車(chē)間測(cè)試效果穩(wěn)定可靠，雖然測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷，但經(jīng)過(guò)優(yōu)化升級(jí)后消除了存在缺陷，是一種實(shí)用型的主配電板。裝配本文設(shè)計(jì)的主配電板對(duì)于推進(jìn)西江流域船舶電網(wǎng)自動(dòng)化程度和運(yùn)行安全具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]黃建章.船舶設(shè)計(jì)使用手冊(cè) 電氣分冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[2]中華人民共和國(guó)海事局.內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2019）[S].

[3]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）[S].

收稿日期：2021-03-01

作者簡(jiǎn)介：

鐘偉強(qiáng)（1985—），工程師，主要從事船舶檢驗(yàn)工作。