一、实验目的

舰艇电力系统是现代船舶不可缺少的核心系统之一。随着科技进步及舰艇的发展，对舰艇电力系统学习和掌握的知识量也越来越大。一方面，由于舰艇供配电系统控制与管理的复杂度和自动化程度越来越高，进行舰艇电力系统的建模仿真研究对确保船舶安全、经济航行具有重要意义；另一方面，源于对舰艇轮机员及院校学生进行船舶自动化电站培训的需求，运用电站模拟系统进行培训具有效率高、费用低的特点。所以世界各国都在加强对船舶电力系统建模和仿真的教学和展示。

舰艇电力系统中各个部分通过电网连接成一个统一的整体，系统中各个部分相互影响，任何一个部分发生变化都会瞬间影响到其它部分，某部分发生故障，整个电网都会受到牵连，有时候甚至会导致整个系统瘫痪，使得舰艇无法正常航行，威胁财产和生命安全。舰艇电力系统是一个独立的系统，不同于陆地无穷大的电力系统，这个特点让船舶电力系统的分析和研究成为了一个特殊的领域。

本软件主要介绍了舰艇电力系统的组成、特点和基本功能，对配电装置中的重要设备和部件（包括配电板，应急配电板，蓄电池，充放电板，岸电箱和万能式自动空气断路器）作了详情的叙述，此外，对舰艇发电机主要类型及工作原理作了简单介绍。

另外，本软件中还相应描述舰艇电力系统的特点，电气设备正常工作的环境条件。本讲中，还将描述舰艇电力系统的主要电气参数：电流、电压、频率，以及各自的特性和条件。

本软件通过VR（沉浸式虚拟现实）的展示方式，让学员可以直接参与设备的操作模拟，了解设备的运行流程，直观的观看设备的组成和系统运行过程。方便学员对舰艇电力系统知识的快速掌握。

二、虚拟实验仪器及器材

本系统包含了舰艇电力系统的主要设备，包含了：电源装置、配电装置、舰艇电力网、配电装置、岸电装置等设备。因为电能的生产、输送、分配和使用是同时进行的。所以这五个部分构成了一个完整的总体、缺一不可。其结构图如下：

2.1电源装置

电源是将其他形式的能量转换成电能的装置。船舶常用的电源有发电机组和蓄电池。

2.2发电机组

发电机组是舰艇最基本的供电单元，舰艇一般使用柴油发电机组。柴油发电机组一般由柴油机和发电机两部分组成。它通过柴油机的运转做功，点燃柴油和压缩空气的混合气体，产生热能，推动曲轴转动，带动发电机的转子，从而产生电能，输出供负载使用。

每条舰艇一般使用2~3台发电机组，以及1台应急发电机组。应急发电机组必须可以在正常电力短缺时自动启动，并通过自动转换开关连接到应急负荷。

2.3蓄电池

蓄电池，俗称电瓶，又称可充电电池，泛指所有在电量用到一定程度之后可以被再次充电、反复使用的化学能电池的总称。舰艇用蓄电池主要有两种：一种是舰艇起动蓄电池，一种是舰艇通信系统蓄电池。舰艇起动蓄电池适用于船舱柴油发动机组，是舰艇运动的主要硬件设施，在发电机组起动瞬间能放出强大的电流，触使发动机高速运转从而带动船舶。

而舰艇通信系统蓄电池主要用于船上应急照明、信号灯、报警系统、UPS计算机备用电源、舰艇上医疗器械、电信设备等，简单点说，就是作为发电机故障下或不作用情况对船舶电力供应的一种后备装置。

2.4配电装置

主要用于控制、保护、测量、分配舰艇电源产生的电力，并对舰艇正常航行或应急状况下所使用的电力和照明负载进行配电的开关设备和控制设备的组合装置。

舰艇配电装置按照用途可以分为：

（1）主配电板——对应主发电机。

（2）应急配电板——对应应急发电机。

（3）区配电板——对应各区域的配电。

（4）充放电板——对应船舶蓄电池的充电、放电。

（5）岸电箱——对应使用岸电时的配电。

2.5负载、用电设备

负载是指连接在电路中的电源两端的电子元件。舰艇负载根据用途可以分为以下几类：

（1）各种舰艇机械的电力拖动：如甲板机械（舵机、锚机、绞缆机、起货机、舷梯绞车等）；舱室辅机（各种油泵、水泵、空压机、冷冻机、辅助风机和空调等）；电推及舰艇的生产机械。

（2）电气照明工作场所和生活舱室的各种照明灯具和信号灯具等。

（3）舰艇通信和电航仪器、通讯设备有无线电收发报机、卫星通讯、无线电话、电话、广播、声光报警装置、子母钟、舵角指示仪器。电航仪器有雷达、卫星导航仪、定位仪、电罗经、测深仪、计程仪等。

（4）其他用电设备：如电炊具、电热器、电风扇、音像设备等附带生活设备。

电站和配电系统的概念。电站是指发电机组至主配电板发电机控制屏，电站中包含了主配电板的发电机控制屏，发电过程到主配电板的发电机控制屏才算作结束。配电系统则是指主配电板的配电（负载）屏到负载的电源线为止，这一阶段属于配电过程。和前一种组成法略有不同，这种分法，相当于将配电板从发电机（负载）配电屏一分为二。

2.6电力网

舰艇电力网是全舰电缆、电线的总称，其作用是将电能的产生者（各种电源）和电能的消费者（各类电能用户，即负载）联系起来。船舶电力网根据其所连接的负载性质，可分为动力电网、照明电网、应急电网、小应急电网（24V直流）、弱点电网等。

三、实验步骤

3.1舰艇机电设备虚拟操作系统

（1）设备认知

柴油发电机组、配电柜、负载设备、岸电柜、电力网的基础认知，通过语音和模型来呈现。

（2）配电柜操作

配电柜的组成：由发电机控制屏、并车屏、负载屏和连接母线四部分组成。

（3）发电机控制屏

用来控制、调节、监视和保护发电机组。每台发电机组均配有单独的控制屏。对配电柜的模拟操作包含：

其上部分装有电流表及其转换开关、电压表及其转换开关、频率表、功率表、功率因数表。

其中间部分安装发电机的主开关、原动机的调速开关、按钮等。

其下部分一般安装发电机的励磁控制装置；控制屏内装有逆功率继电器、仪用互感器。

（4）并车屏

作发电机组的并车整步操作。其面板上装有同步表、同步指示灯、转换开关、操纵按钮及指示灯等。有些并车屏里面还设有汇流排分段隔离开关、粗同步电抗器等。

（5）负载屏

用来分配电能并对各馈电线路进行控制、监视和保护，并将电能供给各用电设备或分电箱。包括动力负载屏和照明负载屏。

负载屏上装有装置式空气开关、电压表、电流表、转换开关、绝缘指示灯、兆欧表以及与岸电箱相连的岸电开关等。

（6）汇流排

交流汇流排的颜色A相为绿色，B相为黄色，C相为褐色或紫色，中线为浅蓝色。

直流汇流排的颜色正极为红色，负极为蓝色，中线为绿色和黄色间隔。

（7）配电板

操作配电板向成组用电设备进行供电的开关和控制设备的组合装置。区配电板主要是控制其他区域配电板、分配电板或向正常工作电流大于16A的电气设备供电。分配电板一般只向单一性质负载供电,主要用作对额定电流不超过16A的最后分支电路进行电能分配。

控制和监视应急发电机组的工作情况，并向舰艇应急用电设备供电。应急配电板用于应急发电机控制和监视，并向应急用电设备供电。它与应急发电机组安装在同一舱室内，一般位于艇甲板上。应急配电板由应急发电机控制屏和应急配电屏组成，其上面安装的仪器仪表与主配电板基本相同。应急发电机总是单机运行，所以不需要并车屏、逆功率继电器和同步表。

应急配电板的电源开关与主配电板接向应急配电板供电联络开关之间设有电气联锁。

应急电网平时可由主配电板供电，唯当主发电机发生故障或检修时才由应急发电机组供电。主配电板连通应急配电板有供电联络开关,它与应急配电板的主开关之间设有电气联锁，以保证主发电机并向电网供电(即主网不失电)时，应急发电机组不工作。

（8）充放电板

操作步骤为:应急照明，操纵仪器和无线电设备的电源均采用蓄电池，舰艇设置充放电板对蓄电池进行充电、放电，实现向用电设备正常供电。

1：对舰艇上安装的蓄电池组进行充电和放电。

2：控制和监视充电电源的工作情况。

3：将蓄电池组的电能分配给船上的低压用电设备。

4：当主电网、应急电网都失电的情况下，能自动接通蓄电池的放电回路直接向小应急用户供电。

（9）岸电箱

岸电箱通常设置在主甲板以上的位置,面板上应设有指示灯以指示外来电缆是否有电,箱内还应设置岸电相序的监视设备。

相序指示器：选用两个指示灯时，亮的指示灯表示超前相，暗的指示灯表示滞后相；采用一个指示灯时，亮时表示超前相。

（10）舰艇电网

操作由主发电机通过主配电板供电，包括动力电网和照明电网分别供电给动力负载和照明负载。

操作由应急发电机通过应急配电板供电，由蓄电池通过蓄电池充放电板供电。

操作由蓄电池通过蓄电池充放电板用以传输、分配临时应急电能。按照要求安装临时应急照明电网。

向全船无线电通信设备、各种助航设备、船内通信设备（如电话、广播等）以及信号报警系统供电。

3.2舰艇机电设备虚拟维修系统

（1）电网维护

船用电缆主要由导电芯线，电气绝缘层和防护套三部分组成。

舰艇电网的保护主要包括短路保护、过载保护、单相接地或绝缘下降以及接用岸电时的相序及断相保护等。

为避免电网在出现短路故障时造成不必要的大范围停电，对短路保护装置进行维护是最主要的选择。

选择电缆的型号和截面须根据实际用途、额定电流、敷设场所的温度和环境条件、以及用电设备的工作制等决定。

1：按照时间原则：以各级保护装置的动作时间整定值的不同来实现选择性，整定的原则是各级开关或保护装置的整定值朝发电机的方向逐级增大。

2：照电流原则：以各级电流的整定值的不同来实现选择性，动作电流的整定值也应保证自负载向发电机的方向逐渐递增。

（2）过载保护

1：单相接地及电网的绝缘监测

舰艇电网一般采用三相三线绝缘制系统，电网中的任何一相接地，将造成另外两相对地均为线电压，严重影响人身安全，若再有一相接地，就会引起两相短路的故障。

检测舰艇电网是否单相接地采用绝缘指示灯（又称为地气灯）来监测。

正常工作时，三个灯星形连接，各灯泡两端均为相电压，因而亮度相同。若某一相(设图中的A相）出现接地故障，则灯HL1熄灭，而HL2、HL3两端的电压上升为线电压，灯泡亮度增强。这样人员就能方便地判断哪一相发生接地故障。

2：电网绝缘监测

配电板兆欧表安装在主配电板上，它能在线随时监测船舶电网的绝缘电阻。

配电板式兆欧表由测量机构（表头）和附加装置（整流电源）组成。当电网绝缘电阻下降时，漏电电流增大，表头指针偏转就大，如一相接地，表头指针偏转最大，绝缘电阻指示值为零。表头上可直接读出电网的绝缘电阻值，配电板兆欧表可以通过转换开关分别测量动力电网和照明电网的绝缘电阻值。船舶要求该值大于1MΩ。

（3）同步发电机的保护及保护装置

主要设置外部短路保护、过载保护、欠压保护以及逆功率保护等。

1：发电机的外部短路保护

舰艇低压同步发电机的电压，大多在V以下，且有定期的绝缘检查和日常维护，发电机内部短路的概率相当小，故一般不考虑装设专门的发电机内部保护装置。

保护原则应兼顾到选择性、快速性和可靠性,常采用时间原则和电流原则相结合的方法。

外部短路保护由自动空气断路器中的过电流脱扣器或综合保护装置中的晶体管低压继电器来实现。

2：发电机的过载保护

同步发电机的过载，主要是指发电机的输出功率和电流超过了它的额定值。

保护的原则是：首先保证发电机不受损坏；其次应避开短暂的过载,尽量不中断供电；过载保护应具有一定的时限。

自动分级卸载装置是一种过载保护。发电机一旦发生过载现象，自动保护装置将次要负载逐级卸去，同时发出报警信号，如到了允许的时限，仍不能消除过载现象，保护装置则应动作，发出发电机过载跳闸的指令。

舰艇同步发电机的过载保护也是由万能式自动空气开关中的过电流脱扣器或综合保护装置中的过电流继电器来实现，只是其动作整定值不同。

3：发电机的欠压保护

在电网电压低时，保证发电机从电网上自动断开或合不上闸，以实现对发电机和电动机的保护。也具有一定的延时。

舰艇同步发电机的欠压保护是由自动空气断路器中的失压扣器或综合保护装置中的晶体管低压继电器来实现。

4：逆功率保护

同步发电机不是发出有功功率，而是从电网吸收有功率时，称为同步发电机的逆功率运行。

通过逆功率继电器实现逆功率保护元件。