一种带优先级的实用新型船用自动转换主配电板设计

摘要：当前西江流域内河货船普遍选用的手动转换型主配电板，其特点是全程需要人员介入操作，较为不便和落后，不符合当前内河船舶自动化的发展趋势。文章设计出一套自动转换且带优先级的实用型船舶主配电板，对提高西江流域内河船舶电网的自动化程度有一定的现实意义。

关键词：主配电板;自动转换;优先级

文献标识码：U665.11-A-56-200-4

0 引言

在船舶电网中主配电板的作用非常重要，电站发出的电能只有通过主配电板才能最终分配到各个用电终端，可以说主配电板是否可靠直接关系到船舶电网能不能稳定运行[1]。本文设计出一套自动转换型主配电板，其特点是合闸后不需人为介入转换操作、自带优先级、实用，并通过样品车间测试来验证其可靠性。

1 主配电板容量选择

只有确认了主配电板的容量才能够选择主配电板箱体尺寸、线路布置和元器件型号

，这是设计一套主配电板的前提。本文为提高设计出来的主配电板的实用性，选择主尺度为73.8 m（船长）×15.8 m（船宽）×5.7 m（型深）、总重为2 437 t的船型，这种船型在当前的西江流域较为流行。

确定船舶电站的容量后则可知主配电板的容量，因两者容量相等。《内河船舶法定检验技术规则》（2019）[2]规定此类货船必须同时设置两台主发电机组，考虑到船舶停泊状态下的用电需求和接入岸电的需要，再预留出24 kW停泊发电机和10 kW岸电的两个接口，这样该套主配电板总共有4个电源接入口，分别是30 kW、30 kW、24 kW和10 kW。

2 主配电板转换部分

考虑到并车功能需要大幅增设线路和仪表，由此大幅增加成本和主配电板箱体体积，因此该套主配电板不设置并车功能，每台发电机及岸电只能单独供电，这就需要主配电板接入的4个接入电源要相互联锁，不能并网，且优先级应排列为：主发电机（2台30 kW）>停泊发电机（24 kW）>岸电（10 kW）。如何实现互锁和优先级功能需要线路布置和转换开关的协调配合，本文采用线路如图1所示。

对以上电路进行分析可以得出优先级：1 G（30 kW）>2 G（30 kW）>3 G（24 kW）>岸电（10 kW），用户可以自主选择性能最好的一台发电机组作为优先级最高的1 G。自动转换开关是实现自动转换功能的关键元件，本文选择由上海格驰生产的GCQ4型号，隔离级别为PC级，其集开关与逻辑控制于一体，实现了机电一体化，具有电压检测、通信接口、电气机械互锁等功能，还有电气钥匙锁供自动转换失效状态下的紧急手动操作。该型号是经市场长期检验的成熟产品，性价比较高。

3 主开关部分

根据《钢质内河船舶建造规范》（2016）[3]的要求，船舶30 kW的主电源必须设置过载和短路保护功能，考虑到该船还设置了大量的辅助及生活用电机，船用电机若是长期在欠压状态下运行，轻则影响使用寿命，严重的话会造成堵转从而烧毁电机。因此从保障船舶电网的安全性角度出发，主开关必须同时具备过载、短路和欠压保护功能，这对于主开关型号的选择就显得尤为重要。本文根据大量实践经验，选择上海人民开关厂生产的CXM1-63H/4型塑壳断路器，并搭配DB-A型多功能保护器，由塑壳断路器提供通断和隔离功能，多功能保护器提供过载、短路和欠压保护功能，使得主配电板在保障船舶电网安全的同时又能保持稳定可靠（如图2所示）。

图2中的KT是启动避让时间继电器，时间设置为1 s，它可以将接入主配电板的4个电源间的转换时间控制在1 s内。多功能保护器的过载、短路和欠压动作时间设置如表1所示。

4 仪表部分

考虑到主配电板所处机舱恶劣的使用环境，本文选择较为稳定可靠的指针式仪表。为保证仪表显示，准确度，应将船舶电站的额定电压和电流数值控制在仪表量程的2/3范围，精度按要求须在1.5级以上。线路如图3所示。

因为使用手动转换开关来转换三相电流和电压显示，因此必须设置通断表如图4所示。

5 总图

再加上负载部分，就完成了主配电板的电气设计图纸如图5所示。

6 主配电板样品的车间测试结果及缺陷处理

在车间对样品的功能性测试中，主配电板能顺利通过各项效用试验并且运行稳定，表明设计获得了成功，但也出现了一个意想不到的缺陷：当同时有两个以上的发电机在运行时，比如1 G和2 G同时运行时，虽然按照优先级此时只有1 G在供电给用电负载，2 G属于空载运行并不供电，两台发电机不并车，但是主配电板上的1 G和2 G发电指示灯却同时亮起，给用户传递出1 G和2 G两台发电机都在供电的错误信息。

为了解决这个缺陷，本文设计了两个处理方案。方案1是再增加一排合闸指示灯，指示灯一端为中性线5 N，另一端为1 G、2 G、3 G、岸电ABC三相的任意一相。这个方案的优点是不需要额外增加元器件，接线简单方便;缺点是测试平台需要4个完全相互独立电源，且前提是中性线5 N必须接地，也就是只适用于三相四线中性点接地的船舶电网系统（如图6所示）。

方案2也是增加4个合闸指示灯，但采用继电器使合闸指示灯间互相联锁，使得任意时刻只有一盏指示灯亮，准确指示出哪一路发电机或者岸电正在供电。其优点是逻辑清晰，测试平台简单，且适用于任何船舶电网系统;缺点是需要額外增加元器件，接线较复杂，如图7所示。

综合比较方案1和方案2，本文选择了全面性占优的方案2。优化后的主配电板电气总图见图8，经测试已经完全消除了上文描述的缺陷。

7 结语

本文设计的船用主配电板拥有自动转换功能，解决了传统主配电板全程需要人工介入操作的问题，且自带优先级，经车间测试效果稳定可靠，虽然测试过程中发现缺陷，但经过优化升级后消除了存在缺陷，是一种实用型的主配电板。装配本文设计的主配电板对于推进西江流域船舶电网自动化程度和运行安全具有一定的现实意义。

参考文献

[1]黄建章.船舶设计使用手册 电气分册[M].北京：国防工业出版社，2013.

[2]中华人民共和国海事局.内河船舶法定检验技术规则（2019）[S].

[3]中国船级社.钢质内河船舶建造规范（2016）[S].

收稿日期：2021-03-01

作者简介：

钟伟强（1985—），工程师，主要从事船舶检验工作。