船舶电力系统短路故障及其稳定性提升策略

船舶电力系统短路故障及其稳定性提升策略

王超

南通中远海运船务工程有限公司 江苏南通 226006

摘要：进入21世纪以来，船舶电力自动化水平得到了快速提升，船舶电气设备对稳定供电的要求越来越高，船舶电力系统的稳定性已经成为保护船舶安全航行的重要助力。因此，针对船舶电力系统稳定性进行相应的研究意义重大。在影响船舶电气系统稳定性的众多因素中，短路故障不仅经常出现，而且每次出现都会造成不小的影响，如何解决短路问题已经成为船舶电力系统稳定性研究中的主要关注点。

关键词：船舶；电力系统；短路故障；稳定性；提升策略

船舶作为重要的水上交通工具，在交通运输、巡航和救援等方面发挥着重要作用。电力系统是船舶运行的动力源，随着船舶规模的扩大，电力系统的复杂性也在不断增加。因此，一旦受到相对恶劣的自然环境和自身因素的影响，极易发生短路等故障。一旦发生短路故障，导线温度迅速升高，绝缘损坏甚至使导线发红、熔化，造成设备损坏，造成严重的火灾、爆炸、电气伤害等恶性事故，严重影响船舶的安全稳定运行，后果无法估计。在上述背景下，为了保证船舶运行的安全，对船舶电力系统的分析和研究提出了更高的要求。

1船舶电力系统稳定性

船舶电力系统在受到内外部因素干扰后保持正常运行的能力是船舶电力系统稳定的强度。船舶动力系统的稳定性是保证船舶正常安全航行的必要前提。船舶电力系统的稳定性包括两个方面：静态稳定性和暂态稳定性。前者是指干扰小的电力系统是否能保持稳定，如果能保持稳定，则表示系统具有静态稳定性；后者是指电力系统经过一定的大扰动后是否稳定，系统的稳定性表明系统具有暂态稳定性。突发性负荷、电力系统的意外短路、大型电力设备的运行都是一种特殊的干扰。由于船舶电力系统的稳定性更多地体现在船舶航行过程中，因此船舶电力系统的稳定性主要集中在暂态稳定方面。

2船舶电力系统短路故障的影响

2.1船舶电力系统短路的危害

船舶电力系统由正常电力系统和应急电力系统两部分组成，应急电力系统是正常电力系统的补充和保障。由于电力系统总容量小、传输网络短、外界影响多等特点，小部件故障会影响整个船舶电力系统的稳定性，给船舶的安全运行带来安全问题。船舶电力系统发生短路时，会产生短时大冲击电流。电流冲击时间虽然不长，但会给整个电力系统带来很大的冲击和破坏。如果保护装置动作不迅速，会带来一系列的后续损坏和问题。此外，如果稳态短路电流过大，会损坏船舶电气设备。当短路故障特别严重时，甚至会导致船舶电力系统完全瘫痪，供电完全中断。在恶劣天气航行中遇到这种情况，可能造成严重的船舶损毁和死亡事故。因此，建设一个高稳定度的船舶电力系统，有效、及时地限制短路电流，最大限度地减少短路故障，具有十分重要的意义。

2.2船舶电力系统短路故障原因

如上所述，船舶电力系统的静态稳定性对整个船舶电力系统的稳定性影响不大，因为它在受到干扰后能很快恢复到正常的功率状态。在船舶电力系统短路故障原因的研究和分析中，主要针对暂态稳定问题。具体来说，影响船舶电力系统暂态稳定的因素有：一是船舶电力系统本身的短路故障；二是大负荷的突然加卸载容易引起船舶电力系统的波动。

3提高船舶电力系统稳定性的对策

3.1及时有效地切除故障源

及时有效地排除故障源是提高船舶电力系统稳定性的关键措施。只要能及时发现并排除故障源，就能防止故障引起的发电机转子转矩变化，发电机转子角速度不变，电网频率不变。同时，及时有效地排除故障源，可以保证电力系统发电机端电压稳定，从而提高负荷的稳定性，最大限度地提高发电机的输出功率。事实上，目前的船舶电力系统大多采用自动空气断路器，能及时有效地排除故障源。

3.2发电机强励的实现

所谓发电机强励，是指当船舶电力系统故障导致发电机端电压下降时，当端电压低于额定电压时，励磁系统会主动调节励磁，通过增加励磁来增加发电机的电磁输出功率，提高船舶电力系统的稳定性。事实上，只要电力系统发生故障，发电机励磁系统就会启动励磁调节，使励磁电压最大化，从而对电力系统的暂态稳定起到巨大的作用，使整个船舶电力系统处于暂态稳定的极限值，使这些正常的负荷获得稳定的电流，正常工作，不受故障的影响，使整个电力系统崩溃。因此，发电机励磁系统在维持船舶电力系统稳定方面的作用十分明显，因为较高的励磁电压可以有效地增大发电机转子的励磁电流。同时，励磁系统的作用可以体现在以下几个方面：一是可以控制发电机转子的最大电流值，并将其限制在一定范围内；二是可以控制发电机转子和定子在过载时限制有效电流值；三是，实现了强励功能，同时减小了磁场。总之，发电机励磁自动调节装置对提高船舶电力系统的稳定性起着重要的作用。

3.3分级卸载负载

船舶电力系统的电网负载与陆地上的无限电网不同，是有额定负载的。一旦电网额定负载被超过，就要分级自动卸载那些次要负载，以保证发电机不因持续过载而造成短路，这能够极有效地提高船舶电力系统的暂存稳定性。发电机输出电流的过载信号是船舶电力系统自动分级卸载的关键信号，只要电网中运行设备的负载超过额定负载时，就要按级别一次或多次把次要负载分级卸载，强行将其退出电网，以保证那些重要负载始终能够得到持续稳定的供电。

3.4分级启动负载

船舶电力系统发生故障停止工作后，一旦修复恢复供电时，如果所有用电同时启动就会带来巨大的启动电流，这对船舶电力系统而言又是一次冲击和考验。为了减少因过大启动电流对整个电力系统的影响，就必须采取分级启动负载的方式，按用电设备的重要性来确定启动的顺序及启动的间隔时间。通常情况下，用电设备启动的间隔时间大多控制在3-6s。

3.5运用数学物理建模方法

随着各种自动数字技术的发展和应用，机械、电气、导航雷达技术也被引入船舶设计和驾驶中，这对船舶动力系统的稳定性提出了更高的要求。在设计电源模块时，不仅要求电力工程师考虑电力系统的正常稳定性，而且还需要考虑新模块的特殊动态要求。引入数学和物理建模，可以实际模拟船舶电力系统可能遇到的问题，找到最佳的科学可行的解决方案，从而及时解决船舶电力系统因电流不稳定引起的短路故障，最大限度地降低可能的损耗。提高船舶电力系统稳定性的数学和物理建模主要集中在发电机上。船舶发电机主要包括发电装置和电磁转换系统。现有发电机的设计原则基本上是法拉第电磁发电原理。要注意减少磁化现象的发生，以免干扰罗盘、导航雷达等设备。同时，提高船舶电力系统稳定性的关键是保护电路的稳定电阻。稳定阻力设计必须遵循以下几条原则：一是负荷合理平衡设计，合理采用串并联方法，保证阻力荷载的合理性，对提高船舶动力系统的静态稳定性有明显的影响，设计发电机应急机构。需要利用数学和物理建模方法，对船舶电力系统可能出现的故障进行提前模拟，并提前建立应急机制，防止事故发生。

结论

船舶电力系统作在运行过程中，受到多种因素影响，可能会出现故障问题，虽然概率较低，但造成的后果将是非常严重的，因此需要一种有效的电力故障诊断系统，以应对随时出现的电力短路问题。了解船舶发电机故障的种类，并且掌握判断故障的方法，这样才能够解决发电机的故障，保障船只的安全行驶。

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