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摘 要：文章根据船舶配电板的功能要求，论述了船舶低压配电板设计的相关技术问题，包括配电板功能设计、短路分析计算以及选择性配合保护。
关键词：低压配电板电气设计；系统短路分析；选择性配合分析
中图分类号：U665 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0003-02
配电板是船舶电力系统的中枢，是用来把船舶电源的电能经过集中控制再分配到各用电设备的装置，其主要功能是对电力系统实施保护、分配、转换，对系统运行参数（电压、电流、功率、频率等）进行监视、测量和调控。如果供电中断，船舶将失去动力来源，势必对船舶的正常运行和安全造成不可估量的严重后果，因此配电板的设计不仅要求能够可靠的对个负载用户供电，而且要保证电力系统的不间断性。
1 船舶配电板
船舶配电装置是用来接收和分配船舶电能，并对发电机和电网进行保护、测量和调整等工作的设备，它是由多种开关、保护电器、测量仪表、调节和信号装置等电器设备按照一定要求组合而成的，其功能有：
①根据需要接通或断开电路（手动或自动）；
②当电力系统发生故障时，保护装置能按要求动作，切除故障设备或网络，或发出报警信号；
③测量和显示运行中各电气参数，如电压、电流、功率、功率因数等；
④能对电站的电压、频率以及并联运行的各发电机组的有功、无功功率进行调整；
⑤能对电路状态、开关状态以及偏离正常工作状态进行信号显示和报警。
1.1 主配电板
主配电板是对船舶主发电机的工作以及船上所有用电设备的供电进行通断、监视、控制和保护的配电盘，主要实现本地、远程控制发电机、发电机进线开关、母联开关，负载均分及负载转移等功能。主配电板由各种不同功能的功能屏组成，主要有发电机控制屏、并车屏、负载屏：
①发电机控制屏：控制、调节、监视和保护发电机组用的。主要有发电机进线开关操作按钮及指示装置、测量仪表、电压和速度调节装置、发电机保护单元。
②并车屏：发电机进行并车同步操作。主要由母联分段开关、绝缘监测装置、手动和自动同步并车装置、配电板报警指示装置。
③负载屏：对各馈电线路进行控制、监视和保护。有重要动力负载屏（推进、操舵和船舶安全所必须的设备）、非重要动力负载屏（短时间不运转不会对船舶推进和操舵有损害，也不危及乘客、船员、货物、船舶以及机械安全的设备），照明负载屏及重要负载组合启动屏。
1.2 应急配电板
应急配电板包括应急发电机控制屏、联络屏以及负载屏。在正常工作情况下，应急配电板通过联络屏由主配电板供电，当主电源发生故障时，此联络开关自动切断，切换由应急发电机供电。根据SOLAS的要求，通常情况下，应急发电机应该处于自动待机的状态，使得一旦出现瘫船或者应急情况，应急发电机能在45 S之内启动并接通应急配电板向应急负荷供电。
当出现失电时，通常很难立即判断究竟是可恢复还是不可恢复，因此，主电源根据规范要求（备用发电机应尽快自动启动并连接至主配电板，最好在失电后30 s内完成，最长不超过45 s）立即启动自动恢复程序的同时，应急电源也会根据规范要求（主电源供电失效是应能自动起动和自动连接于应急配电板，最长不超过45 s）立即启动自动供电程序。失电自动恢复供电程序与应急电源自动起动程序是同时进行的。应急配电板的恢復供电，究竟是由主电源还是应急电源承担，取决于两者起动速度的快慢。如果主电源首先恢复，则应急配电板由主电源供电，而应急发电机则处于起动后空转的状态，直至被手动或者自动停机。如果应急电源首先向应急配电板供电，若主电源无法恢复，就进入应急电源供电的应急状态；若然后主电源恢复了供电，应急配电板会自动从应急电源切换到主电源供电。
2 系统短路计算
短路电流由两部分组成：一部分短路电流随时间按正弦规律变化，成为周期分量；另一部分因回路中存在电感而引起的自感电流，成为非周期分量。短路后第一个半周期内的短路全电流的瞬时值，同时也是短路过程中的最大短路电流瞬时值。如图1所示。
对于低压配电系统，最重要的两个短路参数就是冲击短路电流Is（短路后第一个周期的全电流有效值，是整个短路过程中的最大短路电流的有效值，也称为冲击短路电流有效值）和冲击短路电流峰值Ipk.。
目前很多公司采用采用SKM公司开发的Power Tools for Windows（PTW）软件作为短路计算的工具，在软件绘制出系统单线图，其中短路时无反馈电流的负载可以省略，然后列出各电气设备的参数，包括发电机、变压器、电动机、电缆等参数。
在进行船舶电力系统设计时，必须充分估计到系统可能发生的短路故障，以便选择合理的配电方式和保护装置，保证船舶主要电气设备能承受短路电流的冲击，能快速有效地切断短路故障，把短路故障的影响限制在最小范围。
在计算最大短路电流时，应考虑最恶劣情况，即对应于船舶电站最大负载工况下：
①所有可能并联连接于主汇流排的发电机（包括短时转移负载的发电机在内）所馈送的短路电流；
②所有可能投入运行的电动机所馈送的短路电流；
为了简化短路电流的计算，在实际计算中将运行中除大电动机以外的各台电动机综合成一台等效电动机，该等效电动机馈送的短路电流等效于上述各台电动机馈送的短路电流之和。
短路计算的结果可用作：
①校核所选用的保护电器的短路接通能力和短路分段能力。
②校核汇流排等原件的点动力稳定性和热稳定性。
③为电力系统保护的设计和整定提供依据。
④为在必要时选择适当的限流设备，以能将短路电流限制在保护电气的能力范围之内提供依据。 3 选择性保护配合
3.1 选择性保护配合的目的
①当船舶系统发生短路或者过载故障时，保护设备能将故障系统切除，尽可能的限制故障的范围，以保证非故障回路供电的连续性。
②当发生故障时，保护设备能及时切断故障回路，将电缆以及设备的损伤降低到最小程度。
3.2 选择性保护配合的原则
①当发生故障时，最接近故障点的保护装置切断故障电流
②当保护装置串联时，各个保护装置的脱扣时间要适当地进行协调
③因保護装置带了延时功能，在其分段之前，保护装置应能承受得住短路电流
3.3 选择性保护配合曲线
在做配合曲线时，需对发电机之间及其以下各级之间的短路选择性保护参数进行设定，如下为某个项目采用ABB DocWin软件绘制的发电机进线开关-联络开关-690MSB/440MSB变压器馈线开关的时间电流配合曲线。黑色曲线为发电机，绿色曲线为690VAC/440VA变压器，红色为690MSB的联络开关。并且通过之前短路计算，可以算出系统最小短路电流11.8 kA（蓝色曲线）和系统最大短路电流49 kA（粉红色曲线）。
通过设定，可以保证当变压器下游侧出现过载和短路故障时，690 V/440 VAC馈线保护开关都会先于发电机进线保护开关脱扣，限制了故障蔓延，保证非故障区域供电的连续性。如图2所示。
4 结 语
随着船舶电气化、自动化程度的日益提高，对船舶电力系统的供电可靠性和生命力提出了较高的要求。船舶电力系统在实际运行过程中，由于各种原因可能出现各种故障，它们会使船上电力系统的安全可靠运行受到威胁，影响船舶的安全航行。低压配电板作为船舶重要电气设备，它担负着电力系统实施保护、分配、转换，它的重要性不言而喻。因此要求配电板的设计安全可靠，才能确保海上更安全的航行。
参考文献：
[1] 李世臣，韩学胜.船舶电气与自动化[M].大连：大连海事学院出版社， 2013.
[2] 庞科旺.船舶电力系统设计[M].北京：机械工业出版社，2010.
[3] 于强.船舶主配电板的虚拟现实研究与设计[D].大连：大连海事大学， 2010.
[4] 施永新.大型集装箱船主配电板设计中的几个问题[J].船舶设计通讯， 1999，（6）.
[5] 许遵丰.对主配电板设计中两个问题的探讨[J].广东造船，1994，（2）.
关键词：低压配电板电气设计；系统短路分析；选择性配合分析
中图分类号：U665 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0003-02
配电板是船舶电力系统的中枢，是用来把船舶电源的电能经过集中控制再分配到各用电设备的装置，其主要功能是对电力系统实施保护、分配、转换，对系统运行参数（电压、电流、功率、频率等）进行监视、测量和调控。如果供电中断，船舶将失去动力来源，势必对船舶的正常运行和安全造成不可估量的严重后果，因此配电板的设计不仅要求能够可靠的对个负载用户供电，而且要保证电力系统的不间断性。
1 船舶配电板
船舶配电装置是用来接收和分配船舶电能，并对发电机和电网进行保护、测量和调整等工作的设备，它是由多种开关、保护电器、测量仪表、调节和信号装置等电器设备按照一定要求组合而成的，其功能有：
①根据需要接通或断开电路（手动或自动）；
②当电力系统发生故障时，保护装置能按要求动作，切除故障设备或网络，或发出报警信号；
③测量和显示运行中各电气参数，如电压、电流、功率、功率因数等；
④能对电站的电压、频率以及并联运行的各发电机组的有功、无功功率进行调整；
⑤能对电路状态、开关状态以及偏离正常工作状态进行信号显示和报警。
1.1 主配电板
主配电板是对船舶主发电机的工作以及船上所有用电设备的供电进行通断、监视、控制和保护的配电盘，主要实现本地、远程控制发电机、发电机进线开关、母联开关，负载均分及负载转移等功能。主配电板由各种不同功能的功能屏组成，主要有发电机控制屏、并车屏、负载屏：
①发电机控制屏：控制、调节、监视和保护发电机组用的。主要有发电机进线开关操作按钮及指示装置、测量仪表、电压和速度调节装置、发电机保护单元。
②并车屏：发电机进行并车同步操作。主要由母联分段开关、绝缘监测装置、手动和自动同步并车装置、配电板报警指示装置。
③负载屏：对各馈电线路进行控制、监视和保护。有重要动力负载屏（推进、操舵和船舶安全所必须的设备）、非重要动力负载屏（短时间不运转不会对船舶推进和操舵有损害，也不危及乘客、船员、货物、船舶以及机械安全的设备），照明负载屏及重要负载组合启动屏。
1.2 应急配电板
应急配电板包括应急发电机控制屏、联络屏以及负载屏。在正常工作情况下，应急配电板通过联络屏由主配电板供电，当主电源发生故障时，此联络开关自动切断，切换由应急发电机供电。根据SOLAS的要求，通常情况下，应急发电机应该处于自动待机的状态，使得一旦出现瘫船或者应急情况，应急发电机能在45 S之内启动并接通应急配电板向应急负荷供电。
当出现失电时，通常很难立即判断究竟是可恢复还是不可恢复，因此，主电源根据规范要求（备用发电机应尽快自动启动并连接至主配电板，最好在失电后30 s内完成，最长不超过45 s）立即启动自动恢复程序的同时，应急电源也会根据规范要求（主电源供电失效是应能自动起动和自动连接于应急配电板，最长不超过45 s）立即启动自动供电程序。失电自动恢复供电程序与应急电源自动起动程序是同时进行的。应急配电板的恢復供电，究竟是由主电源还是应急电源承担，取决于两者起动速度的快慢。如果主电源首先恢复，则应急配电板由主电源供电，而应急发电机则处于起动后空转的状态，直至被手动或者自动停机。如果应急电源首先向应急配电板供电，若主电源无法恢复，就进入应急电源供电的应急状态；若然后主电源恢复了供电，应急配电板会自动从应急电源切换到主电源供电。
2 系统短路计算
短路电流由两部分组成：一部分短路电流随时间按正弦规律变化，成为周期分量；另一部分因回路中存在电感而引起的自感电流，成为非周期分量。短路后第一个半周期内的短路全电流的瞬时值，同时也是短路过程中的最大短路电流瞬时值。如图1所示。
对于低压配电系统，最重要的两个短路参数就是冲击短路电流Is（短路后第一个周期的全电流有效值，是整个短路过程中的最大短路电流的有效值，也称为冲击短路电流有效值）和冲击短路电流峰值Ipk.。
目前很多公司采用采用SKM公司开发的Power Tools for Windows（PTW）软件作为短路计算的工具，在软件绘制出系统单线图，其中短路时无反馈电流的负载可以省略，然后列出各电气设备的参数，包括发电机、变压器、电动机、电缆等参数。
在进行船舶电力系统设计时，必须充分估计到系统可能发生的短路故障，以便选择合理的配电方式和保护装置，保证船舶主要电气设备能承受短路电流的冲击，能快速有效地切断短路故障，把短路故障的影响限制在最小范围。
在计算最大短路电流时，应考虑最恶劣情况，即对应于船舶电站最大负载工况下：
①所有可能并联连接于主汇流排的发电机（包括短时转移负载的发电机在内）所馈送的短路电流；
②所有可能投入运行的电动机所馈送的短路电流；
为了简化短路电流的计算，在实际计算中将运行中除大电动机以外的各台电动机综合成一台等效电动机，该等效电动机馈送的短路电流等效于上述各台电动机馈送的短路电流之和。
短路计算的结果可用作：
①校核所选用的保护电器的短路接通能力和短路分段能力。
②校核汇流排等原件的点动力稳定性和热稳定性。
③为电力系统保护的设计和整定提供依据。
④为在必要时选择适当的限流设备，以能将短路电流限制在保护电气的能力范围之内提供依据。 3 选择性保护配合
3.1 选择性保护配合的目的
①当船舶系统发生短路或者过载故障时，保护设备能将故障系统切除，尽可能的限制故障的范围，以保证非故障回路供电的连续性。
②当发生故障时，保护设备能及时切断故障回路，将电缆以及设备的损伤降低到最小程度。
3.2 选择性保护配合的原则
①当发生故障时，最接近故障点的保护装置切断故障电流
②当保护装置串联时，各个保护装置的脱扣时间要适当地进行协调
③因保護装置带了延时功能，在其分段之前，保护装置应能承受得住短路电流
3.3 选择性保护配合曲线
在做配合曲线时，需对发电机之间及其以下各级之间的短路选择性保护参数进行设定，如下为某个项目采用ABB DocWin软件绘制的发电机进线开关-联络开关-690MSB/440MSB变压器馈线开关的时间电流配合曲线。黑色曲线为发电机，绿色曲线为690VAC/440VA变压器，红色为690MSB的联络开关。并且通过之前短路计算，可以算出系统最小短路电流11.8 kA（蓝色曲线）和系统最大短路电流49 kA（粉红色曲线）。
通过设定，可以保证当变压器下游侧出现过载和短路故障时，690 V/440 VAC馈线保护开关都会先于发电机进线保护开关脱扣，限制了故障蔓延，保证非故障区域供电的连续性。如图2所示。
4 结 语
随着船舶电气化、自动化程度的日益提高，对船舶电力系统的供电可靠性和生命力提出了较高的要求。船舶电力系统在实际运行过程中，由于各种原因可能出现各种故障，它们会使船上电力系统的安全可靠运行受到威胁，影响船舶的安全航行。低压配电板作为船舶重要电气设备，它担负着电力系统实施保护、分配、转换，它的重要性不言而喻。因此要求配电板的设计安全可靠，才能确保海上更安全的航行。
参考文献：
[1] 李世臣，韩学胜.船舶电气与自动化[M].大连：大连海事学院出版社， 2013.
[2] 庞科旺.船舶电力系统设计[M].北京：机械工业出版社，2010.
[3] 于强.船舶主配电板的虚拟现实研究与设计[D].大连：大连海事大学， 2010.
[4] 施永新.大型集装箱船主配电板设计中的几个问题[J].船舶设计通讯， 1999，（6）.
[5] 许遵丰.对主配电板设计中两个问题的探讨[J].广东造船，1994，（2）.