董 蕾,黃順杰,李 誠,余振華
(1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局駐上海地區(qū)第二軍事代表室,上海 200135;2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430000;3. 上海船舶設(shè)備研究所,上海 200231;4. 浙江海威電氣有限公司,浙江溫州 325000)
岸電裝置將分別來自左舷和右舷的二路岸電電纜并接,經(jīng)相序轉(zhuǎn)換電路后連接至主配電板,用于船舶日常供電[1]。
1)設(shè)備的組成盡量簡單、可靠,力求操作維修方便。充分利用國內(nèi)外成熟的技術(shù),對(duì)岸電裝置性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)及維護(hù)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。
2)在設(shè)計(jì)中突出功能性能和生存能力,同時(shí)考慮可用性、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和安全性,兼顧配置的現(xiàn)實(shí)性、繼承性、經(jīng)濟(jì)性、可行性,充分利用現(xiàn)有成熟技術(shù)和研究成果。
3)岸電裝置的設(shè)計(jì)滿足船舶總體設(shè)計(jì)要求,其接口與船舶總體要求匹配。
岸電裝置主要由柜體、斷路器、匯流排、相序轉(zhuǎn)換電路、相序檢測模塊、電量測量模塊、控制器、輔助控制電路、觸控顯示屏和必要的測量儀表、控制元件及指示燈等組成[2]。
岸電裝置將分別來自左舷和右舷的二路岸電電纜并接,經(jīng)相序轉(zhuǎn)換電路后連接至主配電板;具有斷相、過載、短路保護(hù)、岸電相序指示及手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能,見圖1[3]。
圖1 岸電裝置功能流程圖
1)相序檢測模塊。對(duì)岸電輸入相序進(jìn)行判斷,檢測是否為正序。
2)輔助控制電路。通過繼電器等器件控制相序轉(zhuǎn)換及輸出,并將一些狀態(tài)信號(hào)傳輸給控制器。
3)相序轉(zhuǎn)換電路。岸電輸入正序時(shí)直接輸出,岸電輸入逆序時(shí)進(jìn)行相序轉(zhuǎn)換輸出。
4)電量測量模塊。對(duì)輸入電壓、電流進(jìn)行采樣并顯示。
5)控制器。對(duì)采樣到的電壓、電流及工作狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行處理,對(duì)輸出進(jìn)行報(bào)警保護(hù),并傳輸給顯示屏。
6)顯示屏。顯示必要的參數(shù)及狀態(tài)信息,記錄岸電輸入電壓及報(bào)警信息。
7)岸電裝置還需要具備岸電供電/對(duì)外供電2種工況,岸電供電工況時(shí)具有手/自動(dòng)相序轉(zhuǎn)換功能。
1.2.1 相序檢測及轉(zhuǎn)換功能
首先,岸電裝置的主要功能為在岸電供電工況下具有相序檢測及轉(zhuǎn)換功能,確保岸電對(duì)艦船安全供電。左、右舷為岸電輸入經(jīng)匯流排并接后的三相電。一路斷路器作為岸電輸入正序時(shí)的輸出通斷,另一路斷路器作為岸電輸入逆序時(shí)的輸出通斷。輸入電相序判斷由相序繼電器KVS實(shí)現(xiàn)。
1.2.2 手/自動(dòng)相序轉(zhuǎn)換功能
通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)相序轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換開關(guān)正常為0°時(shí),繼電器閉合,為自動(dòng)相序轉(zhuǎn)換模式。當(dāng)需要進(jìn)入手動(dòng)模式進(jìn)行相序轉(zhuǎn)換時(shí),先用儀器檢測輸入岸電相序,若為順序,將萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)打向左45°,按動(dòng)SB1啟動(dòng)開關(guān),斷路器合閘,岸電正序輸出。若輸入岸電為逆序,將萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)打向右45°,此時(shí)按動(dòng)SB1啟動(dòng)開關(guān),另一斷路器合閘,岸電正序輸出。
1.2.3 供電模式
岸電裝置既要具備岸電對(duì)艦船供電功能,同時(shí)具有艦電對(duì)外供電功能。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)此功能。
當(dāng)萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)正常為0°時(shí),繼電器得電,通過聯(lián)鎖線路,進(jìn)入岸電供電模式。當(dāng)需要對(duì)外供電時(shí),將萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)打向45°,退出岸電供電模式,通過聯(lián)鎖線路,此時(shí)按動(dòng)SB1啟動(dòng)開關(guān),則正序斷路器合閘,由艦電對(duì)外供電。
1.2.4 狀態(tài)檢測及顯示
岸電裝置需檢測工作狀態(tài)及電壓、電流參數(shù),進(jìn)行計(jì)算和相應(yīng)保護(hù),并通過顯示屏顯示。
岸 電 裝 置 的 整 體 外 形 尺 寸 為1 000 mm×1 650 mm×650 mm,內(nèi)部由斷路器、匯流排、相序轉(zhuǎn)換電路、相序檢測模塊、電量測量模塊、控制器和輔助控制電路外形走線槽等組成,見圖2[4]。岸電裝置電氣原理設(shè)計(jì)主要包括主回路、控制回路、測量回路和PLC控制回路4個(gè)部分。
圖2 岸電裝置外形尺寸圖(單位:mm)
岸電裝置主回路為相序轉(zhuǎn)換電路和一次回路,相序轉(zhuǎn)換回路主要由斷路器Q1、Q2及其附件組成,為供電線路提供過載和短路保護(hù)。主回路原理見圖3[1]。
圖3 主回路電氣原理圖
岸電裝置配置相序檢測模塊及其輔助控制回路,用于實(shí)現(xiàn)斷相檢測、相序檢測和相序轉(zhuǎn)換功能及供電模式轉(zhuǎn)換功能。
當(dāng)岸電向艦船供電時(shí),可通過相序檢測模塊自動(dòng)檢測岸電輸入相序,并由輔助控制回路控制斷路器完成岸電相序自動(dòng)轉(zhuǎn)換,即當(dāng)檢測岸電輸入順序時(shí),操作“供電”指令后自動(dòng)判斷Q1斷路器合閘輸出順序電源,當(dāng)檢測岸電輸入逆序時(shí),操作“供電”指令后自動(dòng)判斷Q2斷路器合閘輸出逆序電源。當(dāng)艦電對(duì)外供電時(shí),由輔助控制回路切除相序檢測回路,操作“供電”指令后Q1斷路器直接合閘向外輸出電源。原理見圖4[3]。
圖4 輔助控制回路原理圖
岸電裝置內(nèi)部配置電量采集模塊,用于采集三相工作電壓、電流參數(shù),通過通信接口傳輸?shù)絇LC控制器,PLC控制器設(shè)置I/O接口,采集斷路器狀態(tài)、供電指令模式、岸電換相控制指令模式、供電狀態(tài)信息,經(jīng)邏輯分析判斷,實(shí)現(xiàn)岸電輸入電壓超限報(bào)警、過流報(bào)警保護(hù)、電源輸入狀態(tài)與供電模式選擇聯(lián)鎖報(bào)警保護(hù)、供電聯(lián)鎖報(bào)警保護(hù)、斷路器故障脫扣報(bào)警和相序繼電器故障或岸電斷相報(bào)警功能。
PLC控制器通過通信接口將工作狀態(tài)和報(bào)警信息傳輸至觸摸屏,由觸摸屏的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)模擬圖的直觀顯示,人機(jī)界面提供工作電壓、電流和報(bào)警記錄查詢功能。原理見圖5。
圖5 測量、PLC 控制回路
根據(jù)相關(guān)要求,岸電裝置需滿足艦船B級(jí)抗沖擊振動(dòng)要求。岸電裝置的抗振動(dòng)、沖擊性能主要從元器件、柜體強(qiáng)度和減振措施3個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。
1)元器件選型
岸電裝置的主要元器件為斷路器,選用艦用塑殼斷路器,斷路器本身已滿足艦用抗振動(dòng)、沖擊要求,其他器件均選用應(yīng)用成熟的常規(guī)器件,在公司其他類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品中均得已驗(yàn)證。
2)柜體強(qiáng)度
岸電裝置主要結(jié)構(gòu)件采用通用C型型材,其主要材料為國標(biāo)GB/T 709—2006 Q235優(yōu)質(zhì)碳素鋼板,屈服強(qiáng)度大于235 MPa,彈性模量200 000 MPa,柏松比0.3,密度7 835。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中確保柜體主體部件及其附件的抗沖擊基本要求,該結(jié)構(gòu)已成熟應(yīng)用于各類艦用配電設(shè)備。
3)減振器
岸電裝置底部和背部設(shè)置不銹鋼鋼絲繩減震器,通過岸電裝置的質(zhì)量重心和減振器性能參數(shù)分析以及以往類似產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用情況,合理選型和布置減振器,實(shí)現(xiàn)減振器對(duì)沖擊振動(dòng)具有良好的的隔離和吸收作用,其隔離率可達(dá)80%以上,有效地起到保護(hù)設(shè)備的作用,以滿足GJB 150A—2009中對(duì)艦載設(shè)備的沖擊和振動(dòng)的要求。
岸電裝置匯流排需要承受短路耐受電流75 kA/s,峰值電流165 kA情況下不變形,按此要求進(jìn)行匯流排規(guī)格選型,通過理論計(jì)算,計(jì)算出相間中心距及絕緣支撐件跨距,以滿足動(dòng)熱穩(wěn)定要求。
岸電裝置總體功能設(shè)計(jì)的結(jié)果將直接影響岸電供電功能的實(shí)現(xiàn),岸電裝置的功能設(shè)計(jì)借鑒常規(guī)碼頭岸電設(shè)施,立足國內(nèi)現(xiàn)有成熟技術(shù)展開,充分考慮岸電裝置布置的科學(xué)性、合理性、安全性和可靠性,采取合理有效的計(jì)算論證,充分化解質(zhì)量、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),通過研究應(yīng)用岸電裝置,對(duì)船舶靠港后采用岸電供電,對(duì)于環(huán)境保護(hù),起到積極作用,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。