摘 要

船舶高压电站的相关产品在国外被开发的比较早，早在二十世纪末，全球电子电气工程工程的领先企业西门等公司就已经对船舶高压电站进行了研究和产品开发，但是应用范围比较狭小，只有在军舰和轮渡船上使用，世界最著名的豪华游轮（英国伊丽莎白皇后二号）上使用的就是最早生产的船舶高压电站。

船舶高压电站是建立在船舶低压电站的基础之上的，船舶高压电站相比于低压和中低压电站来说，电压等级特别的高，容量也特别的大，虽然高电压能够满足船舶的动力设备用电需求，但是同时也会伴随着很多的问题，比如说高压电站的稳定性和安全性要如何保障；经济型是否合理；自动控制方面需要提高，否则就会需要大量的人为工作量。

目前船舶高压电站的发展趋势主要是要实现高自动化电站，但是以现在的自动化水平还是无法达到人们预想的要求，再加上船舶电站在轮船运行过程中可能出现的各种问题多而复杂，所以距离无人机舱的实现还是需要一些时间来进行设计与完善，船舶电站的具体功能还是需要人工操作来实现。实现船舶电站自动化关键的一步是要实现自动并车操作，因为自动并车功能的好坏决定了船舶电站的性能，还可以解决好船舶高压电站在使用过程中经常会遇到的问题。

本次设计的船舶高压电站自动并车装置具备以下功能：

１）电压检测、电压异常报警；

２）频率检测、频差调整；

３）合间控制。

关键词：船舶高压电站；自动化；自动并车装置；PLC。

Abstract

The related products of ship high voltage power station have been developed earlier abroad. As early as the end of the twentieth century, Siemens, the leading enterprise in the world's electronic and electrical engineering, has already carried out research and product development on ship high voltage power station, but its application scope is relatively narrow. It can only be used on warships and ferries. It is the most famous luxury cruise ship in the world (Queen Elizabeth II, UK). ) The first ship high-voltage power station was used.

Ship high-voltage power station is built on the basis of ship low-voltage power station. Compared with low-voltage and medium-low-voltage power stations, ship high-voltage power station has special high voltage level and large capacity. Although high voltage can meet the power demand of ship's power equipment, it will also be accompanied by many problems, such as how to ensure the stability and safety of high-voltage power station. Whether the economic type is reasonable or not; the automatic control needs to be improved, otherwise it will require a lot of human work.

At present, the development trend of ship high-voltage power station is mainly to realize high-automation power station, but with the present automation level, it can not meet people's anticipated requirements. In addition, there may be many and complex problems in the operation of ship power station, so it still needs some time to design and improve the realization of unmanned aerial vehicle cabin. The specific work of ship power station Can or need manual operation to achieve. The key step to realize the automation of ship power station is to realize automatic parallel operation, because the function of automatic parallel operation determines the performance of ship power station, and can also solve the problems often encountered in the use of ship high voltage power station.

The auto-parallel device for ship high-voltage power station designed in this paper has the following functions:

1) Voltage detection and abnormal voltage alarm;

2) Frequency detection and frequency difference adjustment;

3) Inter-closure control.

Key Words：Ship high-voltage power station; automation; automatic parallel device; PLC.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 课题研究意义 2

1.3 目前国内外发展现状 3

第2章 船舶电力系统 4

2.1 船舶电力系统的组成及特点 4

2.2 船舶电网 5

2.2.1船舶电网的分类 5

2.2.2 船舶电网的结线方式 5

2.2.3 船舶电缆 7

2.2 船舶电力系统的保护 8

2.3.1船舶电网的保护 8

2.3.2同步发电机的保护 9

3.1 船舶高压电站的工作原理及特点 11

3.1.1船舶高压电站的结构 11

3.1.2船舶电站的功能 11

3.2 船舶高压电站与低压电站的区别 13

3.3 研究船舶高压电站使用的过程以及使用注意事项 14

3.3.1使用过程中需要解决的问题 14

3.3.2解决问题的方法 14

4.1 自动并车 16

4.2 自动并车的基本原理 17

4.3 自动并车并车功能（以GENOP71型发电机为例） 18

第5章 结论与展望 20

参考文献 21

致 谢 22

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

2017年后，世界造船行业经过了一段时间的低迷之后开始有所好转，中国的造船企业接单量达到了世界第一多，这离我国想要成为世界第一造船大国的目标更近了一步。日本的船舶制造业发展缓慢，已经不再是垄断船舶制造业时期的日本，但是韩国的造船业发展依旧迅猛，相比上一年接单量增多了三倍之多，所以目前形式依旧不容乐观，想要成为世界第一造船大国就必须坚持势头，继续发展。

想要造出好船，就必须拥有好的配套设备，如果把一艘轮船比作是一个人，柴油机比作是船的双腿，那么船舶电站就是人船心脏，来流通船舶的血液。就目前来说我国研制船舶高压电站的能力还比较弱，想要完全研制和生产需要很高的成本，而国外研发的船舶电站系统技术非常先进，功能上也相对完善了很多，拥有技术即垄断了船舶高压电站的生产行业，所以我国想要在船舶制造方面有所领先，就必须要发展船舶高压电站的生产技术。

船舶电站是建立在中低压电站的基础之上的，因为低压电站无法满足要求，随着船型的增大，电容容量明显不足，想要设计出大电容容量的低压电站，就需要十几台发电机同时工作，在这些发电机的建造和维护上要耗费大量的资金，同时，轮船上似乎也没有足够的空间来存放这些发电机。船舶高压电站相比于低压和中低压电站来说，电压等级特别的高，容量也特别的大，尽管高电压可以满足船舶的能源设施的用电需要，但是同时也会伴随着很多的问题，比如说高压电站的稳定性和安全性要如何保障；经济型是否合理；自动控制方面也需要提高，否则则就会需要大量的人为工作量。

1.2 课题研究意义

轮船是十分重要的水上交通工具，如果没有水上运输，将会有50%的人面临着粮食短缺问题，所以船舶性能的好坏对人们的发展和生活都有很大的影响。船舶电站是轮船的重要组成成分，相当于轮船的心脏，满足船舶所有的电力需求。

现在造船技术越来越高，轮船也制造的越来越大，30万吨的大型轮船比比皆是，船型越大电力系统的负荷也就越大，再用的电压等级也就越大，低压或者中低压船舶电站渐渐地无法满足电压的需求，如果使用低电船舶电站，一是电容无法满足要求；二是输送大功率电能就需要很粗的船舶电缆，并且得用多股并联的的方式，这样做的后果就是造成电缆的发热量很大，形成严重的传输损耗，太过于浪费。布线和安装也增加了很大的难度。而高压电站既能够满足电容的要求，又能够缩小传输过程中的损耗，所以目前船舶上大多选择使用高压电站。

我国在船舶高压电站的研究领域还很狭隘，虽然国内知名大学和研究院在努力的设计开发，但是也只是在部分环节取得了成功，而且还不能投入生产使用。所以船舶高压电站的设计与研究意义重大。

1.3 目前国内外发展现状

船舶高压电站的相关产品在国外被开发的比较早，早在二十世纪末，全球电子电气工程工程的领先企业西门等公司就已经对船舶高压电站进行了研究和产品开发，但是应用范围比较狭小，只有在军舰和轮渡船上使用，世界最著名的豪华游轮（英国伊丽莎白皇后二号）上使用的就是最早生产的船舶高压电站。后来许多公司也加入其中，相继对船舶高压电力系统进行设计与钻研，使得高压电力系统在船舶中的使用越来越普遍，应用到了很多大型集装箱船和大型的油轮上面。到现在，世界上的大部分船舶都在使用船舶高压电站和高压电力系统。

我国的一些船舶也在使用船舶高压电站，比如广州和海口之间的粤海铁号载客轮渡、中远海运集团的“泰安口”号轮船，但是基本上都是使用的国外的产品，这是由于国内在船舶高压电站方面的的设计与研究和国外相比还是有些差距的，虽然国内的好多知名大学、研究院和企业做了很多的研究，然而由于技术投入和实际的设施缺乏，始终还是达不到国外的研究水平。但是也并不是毫无成果的，国内在对船舶高压电站模拟器的研究中，大连海事大学和集美大学研制出了新型的轮机模拟器，采用了分布式模块化的运行方式，子系统的修改和更换都是相对独立的[1]，可靠性更高。

目前全世界都在对船舶高压电站进行设计与研究，技术方面竞争激烈，我国也不甘落后，一些高等院校和研究所都在前仆后继的对其进行设计与研发，在不久的将来，我国船舶高压电站的研制水平将会上升到新的高度。

第2章 船舶电力系统

2.1 船舶电力系统的组成及特点

1.船舶电力系统的组成

发电装置、配电装置、船舶电网和负载都是船舶电力系统的必要组成成分。发电装置是由柴油机带动发电机进行发电，并且将电能储存在蓄电池中。配电装置是对控制电力的装置，其作用是将发电装置产生的电力分配到各个用电设备。船舶电网是船舶上所有的电缆组成的网络系统，主要作用是传递电力和连接各用电设备。负载指的就是各种用电设备。

因为船舶设计的越来越大，功用越来越多，船体内设计的也越来越复杂，所以船舶用电设施也须要越来越多的电力，船舶电力系统也就越来越巨大而且复杂。

2.船舶电力系统的特点

船舶电力系统是船舶不能缺少的一部分，根据其电压等级可以分为低压电力系统、中压电力系统和高压电力系统。系统电压在1000V以下的为低压电力系统，电压在1000V~10000V的系统为中压电力系统，电压在10000V的系统为高压电力系统。除此之外，还有超高压以及特高压的船舶电力系统。船舶电力系统是轮船的必须系统，其在轮船中起到的作用不亚于船舶的柴油机，因为船舶中的大量设备在没有电力的情况下是无法工作的，必须要依靠船舶电力系统来生产电力，并对电力进行输送和控制。

船舶电力系统是以多台同种规格的发电机并联运转的模式，为船舶电网生产电力。这样电力系统就可以适应负载的变化，在出现故障的时候依然能够为全船用电设备供电，保证了船舶电网持续被供电。船舶输送电力的电缆线一般沿仓壁布置，电缆的分叉点处安装专用的分线盒，而不会在外部出现连接点，由于船舶电网的输电间隔短，线路阻抗低，各处短路电流大，这样做不会使开关和汇流排等设损坏。

为了保障船舶电力系统的安全性、可靠性和经济性，船舶电力系统在设计方面必须要满足以下要求：

（1）在电力的产生、运输和使用过程中不能发生人生和设备事故；

（2）要保障船舶电网被继续供电；

（3）要满足用各用电设施对电压的要求；

（4）要尽可能的节约电力，减少浪费和损耗。

2.2 船舶电网

2.2.1船舶电网的分类

船舶电力网是轮船上一切用来传送电力的电缆和电线的总称，其作用是电力的输送和各个用电设备之间的连接。船舶电网依据供电电源的差别可分为:

(1)主电网：主电网是主发电机经过主机带动将机械能转化为电能，将电能进行运输和分配的网络。

(2)应急电网：应急电网是由应急发电机发电的。

(3)小应急电网：小应急电网是大型的蓄电池进行充放电功能的放电部分，作为应急时使用。

2.2.2 船舶电网的结线方式

(1)500V以下电网的结线方式

船舶电网的电压等级在500V以下属于船舶低压电网，船舶低压电网的结线方式有：放射式和环式。

放射性特点：放射式结线方式接出线路是各自独立的，互不干扰，每个线路只向单独的用电设备供电。它的特点就是从总配电板接出的各个馈电线路都安装各自的自动开关，有利于集中控制。

图2-1船舶电网放射式结线方式

然而船舶上面的用电设施特别多,主配电板须要连接大批的电缆线接头和自动开关,所以其缺点就是要耗费大量的电缆线,须要很大的主配电板和分配电板，占用大量的空间，并且一旦馈电线路出现故障，必定会导致电气设施失电，可靠性比较差。所以一般不会选用放射性电网结线方式。

环式特点：环式电网的结线方式就是将主馈电线串联成一个环形的闭合回路。这种连接模式的好处是用电设施能够从线路的两端取得供电，当一端主馈线路出现故障时，另一端能够继续为用电设施供电，环式结线方式还减少了主馈电线电缆的数量和长度及主配电板的尺寸。对馈电线路的控制主要是在配电板上，采用环式结线方式缺点就是无法在对各馈电线路进行集中，不太便于控制。这种结线方式就非常适合电压等级在500V以下的低压电能力系统，也是最常用的一种结线方式。

图2-2船舶电网式结线方式

(2)500V以上船舶电网的结线方式

在前面已经提到，未来生产的船舶基本上都会选用高电压等级的船舶电站和船舶电力系统。而在中低压电力系统中，特别是在1000V~10000V之间的中压电力系统中，采用3300V和6600V中压电网的比较多[2]。船舶中压电网的结线使用用最多的是放射式和树干式。这两种结线方式的特点就是构成简单，但是对重要负载在故障时存在失电的可能，可靠性不高。还有采用桥式结线或互为备用的桥式综合结线，这两种结线方式的特点是网络不太复杂,但供电的可靠性提高，只要有一台发电机正常工作，就可以保证一些重要设备正常工作。目前采用这两种结线方式的电网占大多数。

2.重要负载的馈电方式

船舶重要负载有：主机滑油泵和冷却水泵，与主机的日常维护有关，关系到船舶的正常航行；空压机循环水泵、锅炉给水泵，关系到轮船上货物的保存；还有导航、通讯和报警设备，关系到船舶和人身安全等。这些都是船舶上重要的负载，因而对这些设施的要求较为严格，在配电时通常采取:

(1)对主配电板直接供电。

(2)向两路独立馈电线供电。

(3)采用自动分级卸载装置。自动分级装置的作用是自动卸载掉次级不主要的负载，在发电机出现过载现象时，保证其回复到正常工作状态。

(4)分汇流排供电方式。当某一段汇流排上的线路发生故障时，能够保证另一半仍能继续工作[2]。

图2-3分段汇流排供电方式

3主电网与应急电网的连接方式

船舶重要设备不单要和主电网连接，还要和应急电网连接，因为这样在主电网发生故障不能正常工作时，由应急电网供电还能保持设备的正常运行。但是这样也有一个很大的缺点，就是有大量的电缆线处于闲置状态，这样的做法是不经济的，造成了很大的浪费。所以可以采用主电网和应急电网共用电缆的连接方式，在主电网正常工作时开关闭合，重在主电网发生故障时开关断开。这样既可以防止故障的发生又可以节约成本，是一个很合理的设计。

2.2.3 船舶电缆

船舶电缆和电线是不同的，并不是因为其大小不一样，而是因为电缆和电线在船舶电网中担任着不同的角色。电线的芯线外层覆有绝缘线层，起维护和绝缘的作用,而电缆除了绝缘线层外还有用以避免外界各种危害的防护套。船舶电网中极少数设备不是用电缆进行连接的，而电线仅用于电气设备的内部接线和一些照明设备的照明线路中。船用电缆有很多种用途，所以依据电缆在船舶上的不同用途，要选用不同种规格的电缆。船舶电缆的尺寸是由它内部芯线的截面来决定的，依据载流量的差异可以制作成0.8~400mm2等不一样横截面积的电缆芯线。可供不一样用途的电缆来进行选择。

船舶电缆绝缘层的作用是将各导线局部隔离起来，其作用是避免接地或彼此短路。绝缘层的作用是很大的，绝缘层性能的好坏直接决定了电缆的使用寿命。

图2-4各类绝缘材料最高允许工作温度