船舶生活污水系統電源改造

趙 亮， 張 銘

（中石化海洋石油工程有限公司上海船舶分公司， 上海 201208）

0 引言

本文以三用工作船某拖輪為例，由于船舶航期短、靠泊碼頭頻率高、時間長，因此經常接岸電使用，但是由于真空馬桶系統是690V 電壓，導致無法使用真空馬桶，船員無法大小便，這就要求我們對真空馬桶系統進行改造，以便船舶在任何情況下都能正常使用岸電。

1 船用生活污水系統真空系統工作原理

船用真空馬桶系統主要是利用真空泵產生真空，馬桶利用真空將馬桶內的排泄物及污水抽入到生活污水處理裝置。 例如船員如廁完畢，手動按下按鈕，真空馬桶排水并且真空打開抽取馬桶內排泄物和水進入管道， 從而把排泄物抽入生活污水處理裝置，處理達標后排出舷外。這個過程當中由于真空形成水流可以輕松沖洗馬桶內壁，使用者無需接觸排泄物，也不用再次刷洗馬桶，從而方便船員使用，減少清潔時間。真空的產生主要是利用兩臺真空泵，一臺運轉另外一臺備用，通過真空控制器來控制真空泵自動啟停，當真空不夠時真空泵自動運轉，達到真空度時真空泵停止運轉。

2 改造思路

總體改造思路是更換船舶生活污水系統真空馬桶電源690V 為440V， 從而改動電路相關電氣元件逐一完成改造。 主要是從以下三方面開始：

（1）查看電機能否改造（一般情況下電機都可以改變末端接線），真空馬桶電機可以在690V、440V 兩種電壓下運行；某拖輪真空泵電機使用690 伏電壓，電機2.5kW，拆開電機后蓋發現電機可以在690V/440V 下運行，電機接線盒內預留了短接片和接線樁，接線圖也附在盒蓋上，這就充分說明此電機可以在兩種電壓下運行，滿足改造條件。

（2） 電源改造， 船舶一般由四種分電箱，AC690V、AC440V、AV230V、DC24V， 電源線從690V 分電箱更換到440V 分電箱，查看440V 分電箱功率是否足夠、備用開關是否預留，一般情況下每個分電箱都有預備的電源開關，以備需要時直接接入線路就可以正常使用， 使用時還要查看主開關是否滿足功率和保護要求， 在斷路器上就可以查看額定電流。是否可以正常鋪設新的電纜，鋪設電纜要求鋪好電纜架，穿孔時根據要求做好水密，在遇到高溫或者尖銳物做好保護，使用扎帶捆扎電纜。

（3）控制箱內電氣元件更換，滿足控制啟動、保護需求；更換電氣元件后重新計算保護參數，通常情況下，電壓的改變需要的功率、電流都會變化，因為本次改造是把電壓降低所以電流要增大，控制箱內的斷路器、保險絲、熱繼電器都要更換或者調節參數，理論計算后還要根據實際運轉情況調節參數，首先要更換變壓器，原邊電壓從690V變為440V，輸出控制電壓230V 沒有變化，但是變壓器的容量還是要維持原來的水平，例如原來是100kVA，更換的變壓器也要100kVA， 熱繼電器動作是5A 但是更換電壓后通過計算調節保護電流為合適的電流， 從各方面考慮調試調整參數。

3 電路圖設計

圖1 改造前電路圖

原電路圖設計的電路思路是三相交流電壓690V 輸入系統，經過主開關S0 控制進入系統，SO 是控制箱內第一道保護電器元件，OS 開關的全稱是Overload Switch，中文翻譯為過載開關。它是一種保護電路的裝置，可以在電路負載過大時自動切斷電路， 避免電路過載而導致設備損壞或者火災等危險。 OS 開關通常采用熱保護原理，即在電路負載過大時，OS 開關內部的熱敏元件會感應到電路中的熱量，從而觸發開關動作，切斷電路。 OS 開關的額定電流和額定電壓是其重要的參數，用在選擇OS 開關時需要根據實際需要選擇合適的型號。 OS 開關是一種電子開關，用于控制電路的開關狀態。它可以在電路中起到開關、斷路、接通等作用，從而控制電路的通斷，通常用于家庭電器、電子設備、機械設備等領域，可以實現對設備的開關控制， 方便使用。 此外，OS 開關還可以用于安全保護，例如在電路出現故障時，OS 開關可以自動切斷電路，避免電器設備受到損壞或者人員受到電擊等危險在檢修中可以斷開主開關從而切斷所有電源， 電壓進入系統后分別經過三個斷路器F1.1、F2.1、F6.1 保護把電壓引流到真空泵M1、M2、及控制線路中，斷路器是指能夠關合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流并能在規定的時間內關合、承載和開斷異?；芈窏l件下的電流的開關裝置。斷路器按其使用范圍分為高壓斷路器與低壓斷路器， 高低壓界線劃分比較模糊，一般將3kV 以上的稱為高壓電器。斷路器可用來分配電能，不頻繁地啟動異步電動機，對電源線路及電動機等實行保護， 當它們發生嚴重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路， 其功能相當于熔斷器式開關與過欠熱繼電器等的組合。 而且在分斷故障電流后一般不需要變更零部件。已獲得了廣泛的應用。在此之中通過接觸器K1、K2 來分別控制真空電機的運轉，接觸器是用來接斷帶負載的主電流的自動化切換器，一般安裝在主回路中，用來控制負載電器，比如說接觸器可以控制電機的開關等等，它適合頻繁操作、遠距離控制。 接觸器的工作原理為：當線圈通電時，靜鐵芯產生電磁吸力，使得動鐵芯被吸合，進而帶動觸頭系統的三條動觸片發生動作，主觸點閉合，輔助常閉觸點斷開，輔助常開觸點閉合，接通電源。 當線圈斷電時，靜鐵芯的電磁吸力消失， 彈簧的反作用力使得動鐵芯與靜鐵芯分離，觸頭系統的三條動觸片動作，使得主觸頭斷開，輔助常閉觸點閉合，輔助常開觸點斷開，切斷電源。 接觸器是一種用來接通或斷開帶負載的交、直流主電路或大容量控制電路的自動化切換電器。 其主要控制對象是電動機。此外，也用于其他電力負載，如電熱器、電焊機、照明設備等。 接觸器能接通和切斷電路，而且還具有低電壓釋放保護作用。接觸器控制容量大，適用于頻繁操作和遠距離控制，是自動控制系統中的重要元件之一。通用接觸器可分為以下兩類： 交流接觸器主要由電磁機構、 觸頭系統、滅弧裝置等組成，常用的有CJ10、CJ12、C112B 等系列交流接觸器。 電壓通過F6.1 經過變壓器， 使電壓降為AC230V，給控制線路提供電壓，經過保險絲的保護安全使用，如果電路發生了故障，比如有短路的問題，電流就會不斷的升高，有可能就會導致電路的損壞，而且還會影響到電器，嚴重的會導致火災的發生。 但是安裝了保險絲， 當電流出現異常的時候， 達到一定的高度，就會熔斷保險絲，從而能夠切斷整個電路，起到了保護的作用。

圖2

電壓進入控制回路，通過F1、F2 熱繼電的保護，接觸器輔助觸點互鎖的保護進入啟停階段， 如果是手動啟動真空泵電機，直接把轉換開關S1.1、S2.1 達到手動就可以使各自的接觸器線圈得電吸合從而使電機運轉。 平時主要的啟動方式是通過真空控制器來控制電機的啟停。 復位按鈕S20 的主要功能是當電機運轉故障時停止轉動，通過切斷時間繼電器線圈電壓使得K20 閉合為下次啟動做準備，也是保護啟動的一個步驟。

圖3

上圖主要是控制箱內外接接線排的指示圖， 需要從控制箱內接到外部電器元件的線路都要經過統一的接線排接出， 方便安裝和布線。 深色框內的電機就是需要改造的，也就是我們電機接法的改造。

改造后的電路圖主要說明改變的地方， 電源電壓改為440V/60Hz，B 變壓器更換為440V/230V， 電機出現改為三角形接法。

圖4 改造后電路圖設計

4 改造前設備相關參數

（1）電源參數：690V 60Hz。

（2）變壓器：690V/230V 100kVA。

（3）碼頭岸電參數：可提供電壓0～440V，頻率0～60Hz，功率200KW 以內，滿足真空馬桶正常運行功率。

（4）電機：2.2～2.55kW 3A 星型接法。圖5 為電機星形接法。 電機星形接法時有中性點， 電機一般都是三相對稱負載，所以不引出中性線， 具體方法是電機的三相繞組的三個尾連接在一起，三個頭接電源， 這時有兩種電壓等級， 即線電壓和相電壓， 且線電壓等于相電壓的√3 倍，線電流等于相電流， 在電動機的星形接法中，電動機的三根線標記為U1、V1、W1，引出接電源，另外一邊U2、V2、W2 三根線短接在一起，形成一個星形結構，因此電動機的星星接法也叫Y 型接法。星形接法優點是降低了啟動電流，降低了繞組承受電壓，從而降低絕緣等級。 缺點是電機功率減小。

圖5 電機星形接法

5 設備改造

5.1 電機改造

電機拆開接線盒后，查看電機具備690V 和440V 兩種電壓運行性能， 原電機使用690V 電壓運行時電機是星接法， 如果使用440V 電壓電機接線改為三角形接法后可以使用，此轉換在電機接線盒內完成，所以把電機接線改為三角接法完成電機改造。

具體操作：接線盒內連接片由單個短接三相電路改為三片分別相連，使得電機繞組成三角形連接， 圖6是改造后電機接線圖。

圖6 改造后電機接線圖

電機三角形接法時沒有中性點，具體方法是電機的三相繞組的頭與尾分別連接，這時只有一種電壓等級， 線電壓等于相電壓，線電流等于相電流的√3 倍。因接線形狀似三角形，所以這種接法叫做三角形

三角形接法優點是提高電機功率，缺點是啟動電流大，繞組承受電壓大，從而增大了絕緣等級。

5.2 變壓器更換

變壓器是給控制回路提供電源的電氣元件， 變壓器是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置， 主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）。在電器設備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗、安全隔離等。在發電機中， 不管是線圈運動通過磁場或磁場運動通過固定線圈，均能在線圈中感應電勢。 此兩種情況，磁通的值均不變，但與線圈相交鏈的磁通數量卻有變動，這是互感應的原理。 變壓器就是一種利用電磁互感應變換電壓、電流和阻抗的器件。一般控制回路都是230V 電壓，通過控制回路可以實現電機的自動啟、停、保護、報警輸出等功能，原本變壓器是690V/230V，根據改造要求更換為440V/230V 變壓器， 控制箱內更換為同樣容量的變壓器440V/230V，拆下接線后更換變壓器打孔安裝固定，接好原邊、副邊線路，控制回路其它元件不變，可以繼續使用，完成控制箱改造。

5.3 電源線路鋪設

機艙布線的方式應當根據機艙設備的性質、要求、用電設備的布局及環境特征等因素，應避免外部熱源、灰塵聚集及腐蝕、污染的存在對電纜帶來影響。并且還要防止在鋪設和使用過程中因受到船舶震動、沖擊、其它設備的搖擺等外界壓力作用而使電纜帶來損傷。 還要注意靜電或者感應點的影響， 距離其它電氣設備太近產生的感應電影響后期真空電機的運轉。電源更換，原本從真空馬桶控制箱接到690V 分電箱的三根電源線接到440V 電源箱，重新鋪設電纜，綁扎、箱體打孔安裝固定電纜，接到440V 電源箱備用開關，完成電源線路改造。

5.4 測量調試系統

測量電機、控制線路絕緣、綁扎整理控制箱內接線；啟動前需要用絕緣搖表測量三相繞組對地絕緣，以及控制箱內控制線路對地絕緣，確保各項電氣設備對地絕緣良好。 線路改裝完后對控制箱內線路進行梳理，對多股電線進行扎帶綁扎、固定，電線放入排線槽并且蓋好線蓋，確保電線不松弛或者搭在電氣元件上，對控制箱進行清潔，清除箱內掉落的線頭、電線、扎帶等雜物。

調整電氣參數元件，通過計算和運行更換主隔離電源開關S0，主要是選擇相應額定電流的開關，隔離開關采用三級熱磁斷路器， 可以說它是一種專門為電動機的控制和保護而設計出的元件。 電動機斷路器的接線方法是采用了螺釘夾緊端子的連接設計方式， 并且還能夠選擇采用環型接線端子或者是彈簧接線端子進行接線。 首先彈簧端子能夠在很大程度上確保連接的安全性， 同時具有持久性以及耐用性的夾緊動作， 有效的抵抗了嚴峻且苛刻的安裝環境，起到抗震動、抗沖擊等特點。 測試調節斷路器F1.1、F2.1、F6.1 保護動作參數， 先選擇合適電流量程的斷路器，然后調節電流數值，類似于熱繼電器動作保護電流。

完成參數調整后啟動系統查看真空泵自動啟停時間以及真空度是否達到使用要求， 首先查看真空度是否能達到，真空度不夠就會導致吸力不強，不能把糞便吸進管路，其次就是電機拉真空度的時間不能過長，電機長時間運轉拉不下真空度就會導致電機發熱或者過載。 經過測試本次改造兩項指標均達到要求。 船舶生活污水系統電源改造項目完成。

6 結束語

（1）改造后船舶以后靠任何碼頭都可以接岸電使用，不影響船員正常生活。

（2）廠修期間船舶可以接岸電方便設備修理、船員生活、節省修船成本。

（3） 應急發電機帶停泊發電機模式可以在船舶靠碼頭、修船（未接岸電情況下）、拋錨期間正常使用，從而節省燃油消耗。

（4）該改造項目具有較強的可操作性、實用性和推廣性，可在同類型690V 電壓船舶推廣使用。 目前某三用工作船真空馬桶系統改造完成后已經運轉六個多月， 從未出現任何故障。