船舶區域配電技術淺析

杜智慧，陳海金，劉茂輝，王 洋

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

船舶配電系統，由柴油發電機組、主配電板、區配電板、變壓器、配電箱及相應的供配電網絡組成[1]。船舶電力系統對供電穩定性要求較高，在船舶電力系統出現故障或者存在局部破損時，仍能保持對負載提供穩定連續的電力供應，同時將故障的范圍和影響減少到最小。

為了提高艦船供電的生命力，艦船電網通常采用區域配電技術，通過左右舷兩根主母線輸送電能，并把各個艙室的負載按配電量分成幾個區域進行配電；兩根主母線中的一根布置在高于水線，另一根低于水線，兩者之間有兩層甲板相隔，提高了供電的可靠性；兩根主配電母線經過各分區域的負載中心，重要負載接在各分區域的負載中心上，通過電源轉換裝置接在左右舷主配電母線上。在船舶大型化、自動化和智能化的發展趨勢下，區域配電技術向著更先進的直流母線技術方向發展。

2 艦船電網結構形式

艦船電網，是指在船舶電站和電氣設備之間傳輸和分配電能的裝置和供電網絡的總稱，船舶電站通過電網將電能輸送到全船各個負載上。船舶電網類型有很多，其中大多是環形供電式網絡和饋線供電式網絡[2]。

2.1 饋線式供電網絡

饋線式供電網絡結構呈樹枝狀，是主配電板向區配電板、分配電板和重要負載等各支路直接供電的輸配電方式，其結構如圖1 所示。

圖1 饋線供電式網絡結構圖

在饋線式供電網絡中，所有用電設備均由一個主配電板供電，其優點是方便對用電負載的集中控制，同時增加負載也比較方便，與環形式供電網絡相比，價格便宜、投資少；缺點是當船上用電設備較多時，支路數量就會很多；當支路上出現短路時，相應支路保護裝置會動作，造成用電設備斷電，因此供電可靠性較差。

2.2 環形式供電網絡

環形式供電網絡是指供電主干線是閉合的環路，環形供電回路為所有負載提供電源的輸配電方式。在環形式供電網絡中，船舶發電機與用電設備之間為縱向連線，而發電機之間或用電設備之間為橫向連接，縱橫連接網絡匯總形成閉合供電回路，可以提高供電網絡的可靠性和穩定性[3]。

環形式供電網絡結構，如圖2 所示：供電主回路通過船舶的左右兩舷，同時連接前后的兩個電站和發電機組，形成一個閉合的供電回路；在左右兩舷的供電主干線經過水密艙室時，兩根主干線分開布置于水線以上和以下，以提高船舶供電系統在船舶破損時的供電能力，其結構如圖2 所示。

圖2 環形式供電網絡結構圖

2.3 兩種電網形式對比分析

饋線式配電方式在商船上非常普遍，其保護裝置及開關較少，選擇性保護方便且整定容易；電纜的總長度比較短；投資少，非常適合商船，但不適合在高強度對抗的艦船上使用。

環狀式供電網絡比饋線式供電網絡可靠性更高，電網功率損耗較小，但環狀式供電網絡維修保養較為復雜。近年來，隨著計算機在船舶電力監控上的發展，環狀式供電網絡被認為是未來軍用艦船的發展方向。

兩種電網形式的比較分析，如表1 所示。

3 區域配電技術

為了把用電設備的故障控制在最小范圍內，避免故障影響電網并滿足未來船舶模塊化和電氣化對船舶電網穩定性的需求，提出了區域配電的概念。區域配電是將船舶電網分為多個獨立的區域，每個區域都有自己的區域配電板或者分電箱，在各區域設置了兩路電源轉換裝置，各區域同時由左右兩舷母線供電，當某一個區域的母線出現故障時，斷開該區域的斷路器就可以避免故障擴大。

艦船區域配電是環狀布線和樹枝狀結構的復合體，干饋復合結構：主干配電網采用環狀布線，各區域內部采用樹枝狀結構；通常設置雙電站，前后兩個電站互為備用，對稱分布，供電量為100%冗余，前后主配電板負載屏連接至各區配電板，區配電板也是主配電板的延伸，在區配電板內設置兩路電源轉換裝置，實現前后主配電板配電的冗余；在區域內是樹枝狀結構，區域內重要負載直接連在區配電板上，非重要負載通過分電箱和組合啟動箱連接在區配電板上，其結構圖如圖3 所示。

圖3 區域配電網絡結構圖

將配電系統進行區域化設計，從而提高系統的生命力。將全船由主隔壁分成若干個獨立區域，隔壁一直延伸到上層建筑，在每個區電力系統沿垂向分隔成一個獨立區域；與以往船舶采用電纜通道沿著船舶艏艉方向縱向布置不同，獨立區域的電纜通道采用垂直結構形式，因此在船舶受到攻擊導致船舶破損時，最多有一個到兩個獨立區域受到破壞，其它區域仍然可以保證穩定供電，從而提高全船的生命力。

艦船根據防火主隔壁，將全船分成多個損管區域，根據負載的集中布置情況，還可以區分出不同的功能區、如垂直發射武器功能區、直升機保障功能區等；結合這些損管分區及功能分區，也可以將全船分成不同的配電區，從而將損管分區的思想融入到配電設計中。

4 國外區域配電技術應用

區域配電技術是歐美等發達國家研究開發的，可提高船舶供電可靠性和生命力。該技術具有靈活的運行模式和良好的運行經濟性[4]，歐美國家海軍艦船電力系統的設計已全面貫徹區域配電理念。其中，英國45 型驅逐艦、美國的“阿里伯克”級驅逐艦是當前世界上比較先進的具有代表性的先進戰斗艦艇，在配電系統方面采用了最先進的設計[5]。

45 型驅逐艦作為全球首艘采用全電力推進的驅逐艦，采用中壓交流電制，除用推進電機驅動螺旋槳外，還供給電力給各個作戰及輔助系統使用，這些系統都連接到全船綜合電力系統中。全船電力系統包括4 臺主發電機，發電機的電壓是4.16 kV，通過日用變壓器將電壓降低到AC440 V，滿足作戰及各輔助設施的使用。

45 型驅逐艦分為兩個完全獨立的電站，每個電站包括1 臺WR-21 燃氣渦輪驅動的21 MW 級交流發電機和1 臺單機功率2 MW 的Wartsila 12 V200 柴油交流發電機組，與1 個高壓配單板相連；兩個高壓配電板之間設置并聯母線，可以并聯使用，也可以分開供電；同時，設置2 臺2 MW 4.16 kV ∕440 V 變壓器、2 個低壓主配電板、13 個區域負載中心的低壓配電設備，通過這些設備組成了全船的區域配電系統；左舷和右舷的4.16 kV 配電板都各自連接到一個4.16 kV ∕440 V變壓器上，每一個440 V 主配電板都可以向13 個區負載中心供電。

美國的“阿里伯克”級（DDG-51）驅逐艦，配置了3 臺AG9 140 燃氣輪機發電機組，單臺發電機功率達到3 000 kW，采用了非常有代表意義的交流區域配電設計，由多臺發電機組、主配電板及區配電板組成，重要負載直接接至主配電板，其余負載通過各區域的負載中心配電。目前，正在研究和開發直流區域配電系統，作為下一代水面艦船綜合電力系統的核心。全艦結合防火區段和水密隔壁劃分成了若干個區域，如圖4 所示。

圖4 “阿里伯克”級驅逐艦配電區域劃分示意圖

5 區域配電總體設計

5.1 配電區域的劃分

艦船配電區域的劃分，首先以損管區劃為基礎，結合船體總段、防火區段和水密隔壁來劃分。為提高船舶生命力，減少船舶建造成本，電力區域的劃分界線最好與防火隔壁、水密主隔壁及建造區域分隔線三者統一。然而，電力區域的劃分是綜合權衡后的結果，如果電力區域穿過較多的水密主隔壁，則在船舶破損時船舶生存能力就會降低；如果電力區域穿過較多的建造區域，則會增加船舶建造成本；如果將電力區域劃分較小，則增加了負載中心和元器件數量，導致設備成本增加。

配電區域盡量與水密主隔壁為界，配電區域內的電纜盡量在一個主豎區內配電，電纜可豎向穿越甲板，避免區域配電的電纜穿越主水密主隔壁，可以減少穿越水密主隔壁電纜的數量，提高抗沉能力。

5.2 區域配電中心的設置

區域配電中心，盡量布置在破損水線以上，以降低船體破損進水后區域內配電設備泡水的可能性；區域配電中心盡量布置在靠近船中位置，提高生命力；區域配電中心周界要設置A0 級以上防火隔壁，具有一定的防火能力；區域配電中心設置在配電區域中心位置，可以考慮臨近供電設備多的位置，減少電纜敷設數量；

區配電板、日用照明變壓器、通風油泵組合啟動箱、電力分配電箱，可集中布置在區域配電負載中心內，便于配電設備的集中管理。

5.3 兩舷電源轉換裝置的設置

區域配電中，重要的用電設備要配備兩舷電源轉換裝置，用來保證兩路電源的轉換。因動力類負載在電源轉換過程中可能會產生較高的瞬態電流，因此轉換裝置要設置延時，一般轉換時的斷電時間為0.5～20 s；兩舷供電轉換裝置根據動作方式進行分類，可以分為自動轉換型和手動轉換型，為確保電源供電的自動化水平，一般選擇自動轉換型；兩舷供電轉換裝置一般布置于區域負載中心或區域配電板的供電入口端。

5.4 配電母線的設置及布置

區域配電系統通常采用左右兩舷兩條供電母線的方式。兩條配電母線之間要分甲板布置，考慮一舷布置在水線的上方，另一舷布置在水線的下方，兩條供電母線盡可能遠離敷設，一般船舶供電的主干電纜縱向布置應為四方形走向，以便最大程度地擴大兩個回路電纜在船舶橫向和艏艉方向上的距離，從而提高船舶破損時的生命力。

6 區域配電技術發展趨勢

當前，全球的船舶電力系統大多采用的是交流電制，但隨著綜合電力技術的應用和發展，交流區域配電在電磁兼容方面不佳；無功功率影響電網品質、電壓及其損耗；不能滿足大功率脈沖負載供電需求等；當采用直流電制，這些問題迎刃而解，近些年正在研究和開發直流區域配電系統，其中美國海軍DDG1 000驅逐艦應用的直流區域配電網絡非常有代表性[6]，其區域配電結構如圖5 所示。

圖5 直流區域配電結構示意圖

圖5 中：發電機組輸出三相交流電，經過整流模塊PCM-4 將三相交流電AC4 160 V 整流成直流DC1 000 V，輸送到直流母排；PCM-1 模塊將DC1 000 V 降壓至DC800 V，再經過逆變模塊PCM-2，將DC800 V 逆變為三相AC450 V 交流電，供電至區域內的交流負載；PCM-3 將DC800 V 直流電降壓至DC270 V，供電至區域內的直流負載，滿足區域內各類型負載的供電需求。

直流區域配電系統中，發電機組發出的交流電經過整流和降壓等電力變換模塊后，再輸出給各區域的電氣設備和逆變器，具有一定緩沖作用[7]。與交流區域配電相比，直流區域配電有以下優勢：

1）船舶發電機組經整流裝置輸出直流電力，再逆變輸出交流至負載，船舶發電機組與船舶用電設備的電壓、頻率等要求互不相關，因此可以降低發電機和整流器的成本、尺寸、質量，原動機也可以設計成在最經濟的轉速下運行，以降低發電機組的燃油消耗量；

2）直流區域配電系統各區域包含了由電力電子器件組成的變電模塊，這些模塊具有快速開關特性，可以隔離故障和起到保護作用，因此可以免去交流配電系統中大型機電式開關裝置；

3）在直流區域配電系統中，通過逆變器，泵和風機等輔機可實現調頻調速，也同時減小了電動機啟動瞬間的沖擊電流，有助于保護匯流母排的電壓穩定；

4）在直流區域配電系統中，電力變換模塊可以提供電氣設備所需的各類電制，從而減少了電力變換的級數，具有減小質量和空間的優點；

5）直流配電技術是開放式母線結構，便于各種儲能裝置的并聯，可以提高大功率脈沖負載供電的穩定性。

綜合電力系統是國內外船舶電氣發展的主流，大功率儲能裝置及大功率脈沖負載應用是未來發展的趨勢，大功率裝置的關鍵技術是采用直流區域配電技術，因此直流區域配電技術是未來艦船的技術發展趨勢。

7 結束語

綜上所述，區域配電系統具有提高艦船的生命力、減少故障蔓延的優勢，符合艦船模塊化、自動化、智能化發展要求。隨著現代艦船電氣化的發展，對船舶電力系統的容量需求不斷增加，同時也提高了艦船生命力的要求，區域配電技術正在應用集成電路技術、網絡技術、固體半導體技術而高速發展，區域直流配電技術越來越成熟，支撐未來全電氣艦船和智能艦船的發展。