船舶电气系统的稳定性保障机制研究

船舶电气系统的稳定性保障机制研究

李辉辉

江南造船（集团）有限责任公司

摘要：船舶电气系统对于船舶而言意义重大，其可靠性也处于十分重要的地位。电气自动化设备在船舶中的广泛应用使船舶更具智能化，让船舶运输更具安全性，使用电气自动化技术促使船舶运输的过程更方便，随着船舶电气化比例的不断提高，大量结构复杂，操作难度高的电气设备的引入，导致船舶航行时，电气设备的故障成为影响航运安全的重要因素之一。使用各项保障技术，不仅可以降低电气系统发生问题的概率，而且还可以大大提高电气自动化系统整体运行的安全系数和可靠程度，延缓系统老化，提升船舶整体的安全性。基于此，本文章对船舶电气系统的稳定性保障机制研究进行探讨，以供相关从业人员参考。

关键词：船舶电气系统；稳定性；保障机制；船舶自动化

引言

随着船舶上的电器和用电量的增加，各类电气设备均存在一定的故障风险，会对船舶的电网稳定形成较大的影响。尤其船舶的电站是大型船舶供电的核心设备，如果这些电气设施出现问题，所造成的影响将较为严重，甚至有可能带来人员的伤害以及关键设备的损坏、船舶失控等。为了防范这些状况，相关工作人员需要掌握现阶段大型船舶的电气技术应用现状及其在应用过程中常见的故障，在发现问题之后采取正确的措施进行排除，保障船舶设备的正常运转。

一、船舶电气系统概述

船舶电气系统，包括电力系统中的发电机、配电盘和用电设备，以及船舶电气自动化系统中的监测报警、自动电站、计算机网络、液位遥测、自动舵等，负责船舶设备运转数据采集处理，船舶航行姿态、航向保持及调整等，是船舶正常航行的一个重要组成部分。船舶电气自动化其基本思想是集中操作、分解管理、灵活配置和实用配置。它利用计算机控制系统的特点，对电气工程师对于设备运行问题的分析和处理过程进行编程和可视化，对正常运行、报警、故障等状态信息进行综合判断及处理。船舶电气系统中的所有设备均较重要，一体化程度较高，发生故障时，维修人员如无法及时准确地诊断故障，会导致船舶大规模停电、船舶失控，造成无法估量的损失。及时制定相关解决方案，有助于提高船舶供电连续性，确保船舶的航行安全可控。

二、船舶电气系统的特征

（一）船舶电力系统具有以下特征：

1、负载波动大

船舶上电站容量相对较小，船用设备功率较大，船舶正常航行过程中设备需频繁启停，如图1电力负荷计算书所示，海上模式时电站负载系数为96.9%，航行过程中主机辅助鼓风机及主空压机需频繁启停，会导致电网电压及频率波动较大，这时需要发电机及电站具备快速响应及稳定电源品质的特点。

图一PCTC船电力负荷计算书

2、电磁干及谐波扰大

船舶电力系统中同轴电缆及通讯电路见存在相互干扰的现象，虽然船舶建造期间敷设电缆已经尽量分开动力电缆及控制、通讯电缆的距离，但船上空间有限，部分电缆存在干涉，导致存在较大的电磁干扰；轴带发电机和变频技术的使用，使电网存在较大的谐波，会造成电力系统中的多数监测仪表出现读数误差和报警现象，对电子通信系统、计算机系统形成干扰，造成通信断续和计算机失控。

3、工作环境恶劣

船舶在海上航行时存在高温、潮湿、倾斜、振动、高噪等不良环境，影响船舶电气设备的动作可靠性及使用寿命，振动、高噪的环境经常导致电气连接松动，当流经大电流时因接触不良而产生电弧高温烧损设备甚至引起火灾如图二所示。因此电气设备箱要满足防护等级，电气设备安装及接线要有防震防松脱措施。

图二锈蚀和接线松动引起的事故

（二）船舶电气自动化具有以下特征：

1、综合化

目前电子信息技术在许多领域得到广泛的应用，随着今后的发展，电子技术和电子设备模块将得到进一步发展，从而促进船舶电子自动化系统的不断改进。由于这种计算机化趋势，自动化系统正在逐步转向多样性和全面性，从而使其更有效地运作和简化工程。例如：就计算机系统而言，工作人员只需一次信息输入，就能对整个系统进行控制，从而便利船舶的操作。此外，一个计算机化的系统（人机交互系统）可以使整个电力系统更安全地运行，工作人员常常只需使用屏幕上的按钮就能控制整个系统，从而为其综合发展提供更好的保证。

2、整体性

船舶电气化系统涵盖广泛的领域，包括设计、生产和运营。随着信息技术和通信技术等先进技术的发展，推动其系统的不断优化和自动化的逐步完善。作为一个单一窗口工作站，其主要作用是确保数据传输和信息交流，以确保船舶与外界之间的有效通信，从而确保船舶的正常运行。与此同时，采用数字化技术加强了系统各组成部分之间的联系，并有效地提高了自动化程度。

3、电子信息化

信息和通信技术的迅速发展使目前的信息技术业务能够控制所有机械设备，以及信息传输的速度和视觉化，从而有助于提高船舶自动化系统的流动性和控制能力。此外，在改进自动化系统的整个过程中，现有流程逐步简化，从而避免了许多重复和复杂的操作，从而有助于提高自动化程度。

4、网格化

总线技术的引入，再加上数字技术的使用，使得数字系统实现了网格化。网络可以汇集各种信号线路，是信息交流的主要渠道。网络是一种双层结构，包括一个数据采集网络和一个控制网络，其结构往往很复杂，通常使用分布式系统来确保系统的稳定运行。对于船舶电气自动化系统，网格开发可有效应用各种自动化技术，取代以往的人工操作，提高工作效率，并确保系统安全可靠地运行。

三、目前船舶电气系统存在的问题

（一）系统设备故障问题

容错率始终存在，在自动化系统运行期间无法反转或完全绕过。容错概率通常发生在电气设备的安装或运行过程中，通常发生在设备设计和制造的早期阶段。随着时间的推移，出错的可能性也会增加。这种故障不能通过对工作人员的视察来避免。在船舶运行期间，设备处于运行状态，有关人员的误操作或失误可能对系统和设备产生一定影响，最终可能对船舶的安全运行构成风险。

（二）电磁安全性较低

电磁技术类别较多，与电气系统有着较大的联系，若在运输过程中，船舶缺少电磁技术，则船舶的运行必然会受到一定的阻碍。船舶在海上工作，若碰到恶劣的天气，则对船舶内部的电磁系统的影响较大，严重时还会导致船舶停滞不前。船舱内部空间狭小，很多电子元件设备都聚集在其中，增加了电子元件受到干扰的概率。

（三）线路控制问题

电子自动化的应用有利于船舶的运营，可以通过一个统一的船舶自动化中央控制系统来实现。例如主机、侧推、舵机等，可直接在驾控台上操作；机舱内的所有泵和风扇均可通过船舶机舱自动化系统从监测报警系统或单独人机界面进行操作；自动电站系统可在主配电盘的HMI界面或集控台甚至驾驶室的监测报警系统中一键操作。如果类似的操作系统出现问题，船舶系统将不受控制，对船舶安全航行构成隐患，如果不及时发现故障，可能会产生不可逆转的后果。

（四）维护保养问题

船舶在使用一段时间后必须进行的工作是保养设备。如果设备得不到及时维修或缺乏维修意识，就会出现一系列故障，不仅会增加维修费用，而且还会带来更多问题，从长远来看，会影响电气设备的使用寿命。

四、船舶电气系统的稳定性保障机制

（一）可靠性保障技术

1.冗余系统可靠保障技术

冗余系统在船舶电气自动化的可靠性保障技术中占据较为重要的地位。该技术系统可以在电气自动化系统中建立并联单元，可提高系统运行的安全性、可靠性。为了保障电气自动化系统维持正常的运作状态，一般需要设置2个机组储备，在这一情形下，要求机组之间既能够独立完成任务，又可以充当各自的备用机组。在冗余系统中，机组间的工作状态具有独立性，相互之间完成协作，从可靠性的角度分析，电气自动化系统可以视为冗余系统，若其中某个单元发生问题，无法正常工作，则处于冗余状态的其它单元会发挥效用，可以保障电气自动化系统不会因为某个单元发生问题而受到影响。

图三冗余技术的应用

2.电磁干扰技术

由于使用特点和设计原则等各种因素的影响，船舶内部空间相对有限，可供安装电气设备的空间相对较小，设备的工作环境质量相对较低，因此船舶受到不同类型部件的影响当船舶处于运行状态时，电力设施或导航装置等，可能会对自动化系统造成一定的电磁干扰，因为设备和仪器开关中的电磁波强度较大。在这方面，有必要将变压器分开，以防止干扰船舶电气自动化系统的正常运行。此外，需要更换传输介质，及时阻断干扰船舶电气自动化系统的信号源，分离信号的输入输出电路，处理信号传输时间间隔。船舶电气自动化系统安装电磁波吸收装置，电压变化时，设备仍可保持正常状态，船舶电气自动化系统通过增加相关单元保持安全运行状态。

3.隔离技术

在应用隔离技术时，工作人员应采用科学方法，根据相关技术参数和具体要求灵活应用隔离技术。一是分析找出干扰电力系统运行的来源，采取适当的处理措施控制产生干扰电源的交流电源，调节现有电源设备，将其改造成隔离变压器，二是还可以通过分别安装功率强大的电源装置，防止对船舶电气自动化系统正常运行的与电源有关的干扰。此外，为了进一步减少电子自动化系统正常运行过程中的电磁干扰，可以使用滤波器有效过滤电气系统中的谐波，从而最大限度地提高船舶电气系统抵御电磁干扰的能力。

4.自动报警技术

在自动报警技术的应用背景下，能否对机舱进行智能监控和测试，直接影响到船舶电气自动化系统的运行性能。通过对信息的准确记录和整理，实现报警信号的可靠安全传输，既能有效控制系统的运行时间和工作量，又能保证整个系统始终处于相对稳定的运行状态。目前，自动报警技术已经取得了很好的发展，并广泛应用于电气系统控制领域。例如，综合监测报警系统，为后期科学排除和解决系统故障打下坚实基础。同时，有效提高了系统故障预测结果的准确性和真实性，使整个系统始终处于相对稳定可靠的运行状态。最后，自动报警技术可以实现系统数据信息的自动化和智能化控制，计算机控制系统可以保证报警信息传输的安全性和可靠性。

5.电磁兼容技术

船舶电气系统的运行环境普遍较差，为了使电气设备能够稳定、正常地运行，必须利用电磁兼容保证技术提高船舶的电气强度。关于改进电磁干扰，不仅要安装隔离变压器，还要使用滤波装置，以降低电磁干扰程度。更换传输介质也是隔离电磁干扰的重要手段。在船舶遥控系统的应用中，从该系统到遥控中心收集、传输和等待信息的时间和距离相对较长，系统容易受到信号传输过程中的电磁干扰，从而影响信息收入及指令输出的准确性。为了有效地保护电磁干扰，需要更换传输介质，缩短接收和输入信号的距离或增加中间信号扩大器装置。

（二）完善管理体系

实施和改进各类技术标准和规范是电气系统安全运行的重要基础。在采用自动化技术时，大多数船舶制造和营运单位必须严格遵守国际船级社、船旗国和海事管理当局颁布的有关条例，船舶营运单位和船队管理人员必须严格遵守有关条例，加强该系统的运作，除此之外，必须特别注意作业过程的每一个细节，明确界定和详细解释所有步骤，以避免发生违规作业事件。

（三）改善控制网络布线方式

与地面自动控制系统不同的是，船舶的电力控制系统往往结构相对简单，由于电路短路或电路中断、接触不良等原因，很容易使系统失效。为了提高系统稳定性，需要改进接线方式，同时优化双回路功能，以确保主线路故障，备用线路能够传输信号。光纤分布式电缆和CAT6或更高版本的以太网电缆通常用于数据传输，而单模光纤电缆通常用于100米以上的网络系统，以提高数据流量的安全性和可靠性。

五、船舶电气系统未来发展趋势

为了使电子自动化控制技术能够充分发挥作用，帮助船舶更好地运行和稳定发展，还需要以各种方式提高其安全性，船舶制造企业必须更加注意和重视不断更新和优化电气自动化技术，继续走创新的道路，获取自己的知识产权并将其应用于实际产品。我国电气自动化产品一直处于中低水平，因此，我们必须努力打破僵局，为我国船舶电气自动化控制技术带来更多的创新，不断优化创新技术的自动化技术，促进中国技术发展的重大变革。

结束语

自动化技术是船舶共同开发的一个课题，已经取得了长足的进步，正在向一体化自动化发展，前景广阔，取得了新的突破。作为技术发展的一部分，渗透和交叉应用学科有所增加，从而发展了人工智能和模糊技术，提高了船舶电气自动化的发展潜力。在信息技术监测、全自动智能控制、综合卫星导航、船上信息互动和全船自动化管理等领域取得了重大进展。

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