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[摘 要]本文介绍了船舶低压主配电板的结构形式和特点，并对低压主配电板结构设计中应注意的问题进行了论证和总结，为船舶行业低压主配电板的设计提供了一些有益的经验和数据。
[关键词]主配电板组成 壳体框架 外壳防护 母线系统 涡流 通风散热
中图分类号：F121.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0076-02
引言
主配电板是船舶电力系统的中枢，是用来把船舶电源的电能经过集中控制再分配到各用电设备的装置。其主要功能是对电力系统实施保护、分配、转换，对系统运行参数（电压、电流、功率、频率等）进行监视、测量和调控。
1 组成
1.1 主配电板由实现各种不同功能的功能屏组成。主要有发电机控制屏、并车屏、动力负载屏、和照明负载屏。各屏通过螺栓连接组合在一起固定于公共底座上，屏间设隔板，屏体与底座间设有隔震装置。
1.2 对于发电机总容量超过100KVA（a.c）或100KW（d.c）时，每台发电机应设独立的发电机屏。考虑到母线的分段隔离，部分船舶的主配电板设置隔离屏。大型船舶把机舱的辅机电动机起动器集中到主配电板上来，设置组合起动屏。
1.3 根据发电机的容量及台数、负载的数量和自动化程度来确定主配电板的组成。当屏数较多时，宜将发电机控制屏布置在中间，负载屏和组合启动屏布置在两侧。
2 壳体结构 按功能单元的安装方式，壳体结构分为固定式和抽屉式。
2.1 固定式是把各电器元件固定于壳体内安装板或构架上的壳体形式，安装后不能随意调整其位置。固定式壳体结构较为简单，但更换元器件需打开柜门用专用工具在屏内操作，不利于维修和调整。常用于发电机控制屏和并车屏壳体。
2.2 抽屉式柜体是将各功能单元做成可抽出的抽屉再安装于柜体内，维修时将抽屉抽出对元器件进行维修、调整的壳体形式。常用抽屉规格有8E/4、8E/2、8E、16E、24E等。抽屉具有连接位置、试验位置、断开位置、移动位置和分离位置。各抽屉与开关设有机械联锁装置，当开关处于分断时，抽屉才能抽出或插入；当开关处于合闸位置时，抽屉不能抽出或插入。同规格的功能单元抽屉可以方便地实现互换。抽屉式柜体具有较高的可靠性、安全性和互换性，它适合于对辅机电动机进行集中控制的组合启动屏。
3 壳体框架
3.1 壳体框架应具有足够的强度和刚度，应能承受所安装的元器件及短路时所产生的机械应力和热应力，并能在起吊、运输、振动和冲击状态下不发生有害变形。极限条件下，框架的结构安全系数一般不应小于2，受梁内应力的构件挠度不大于1/400。临界条件下，框架任何构件不允许产生塑性变形。
3.2 壳体框架应具有防盐雾、油雾、霉菌及防腐蚀措施。
3.3 框架连接方式
（1）焊接式 将各构件组焊成框架。优点是加工方便、连接可靠、整体强度高。缺点是误差大，易变形、难调整、美观性差，而且工件不能预镀。
（2）组装式 将各构件加工出可连接的孔，配以专用连接件，再用、自攻螺钉、螺栓和拉铆螺母连接紧固成框架。优点是适于工件预镀，易变化调节，易美化处理，零部件可标准化设计，可批量加工，构架外形尺寸误差小、互换性好。缺点是整体强度不如焊接式，要求零部件精度高，加工成本相对提升。
（3）焊接与组装混合式 可集中焊接式和组装式两种优点，一般在主要承载骨架连接处采用焊接，可变或可调部分采用组装连接。较大柜体焊接后镀覆有困难时，可将表面作喷漆处理。预镀件需焊接的，焊后可热喷镀金属来处理焊接部位。
3.4 框架构件
（1）型材 常用有角钢、槽钢和特种型材（如KB型材、8MF型材、C型材、FA8型材等）。角钢、槽钢构件多以焊接形式连接，特种型材可采用焊接式也可采用紧固件进行连接。特种型材的安装面上往往要加工出统一间距的模数孔。
（2）板材 板材多采用焊接连接，一次成形。可提高机械强度和防护等级，减少了连接构件。
3.5 柜体材料
a 冷轧钢板或角钢
b 不锈钢板（不导磁）
c 防锈铝（铝镁合金）
d 敷铝锌钢板或镀锌钢板
4 外壳防护
4.1 主配电板顶部防护等级应达到IP22的要求，但若主配电板安装在干燥的环境中，主配电板的后面和上方无水、油、蒸汽、管、油柜以及其它液体容器时，其顶部的防护等级可为IP21。
4.2 主配电板的两侧应有不低于IP2X的防护措施。500V以下的主配电板板后可以采用开启式。
4.3 500V以上的主配电板板后防护等级不能低于IP2X。
4.4 电缆进入主配电板处应有能防止漏水沿着电缆进入其内部的措施。
5 母线系统
母线系统是主配电板的重要组成部分，对主配电板供电的连续性和安全性有着重要意义。
5.1 母线应由导电用电解铜或铜包覆的铝合金制成。考虑到船舶使用环境的恶劣，为保证其可靠性，应采用硬质高纯度（99.5以上）的铜型材。
5.2 母线类型 一般采用敞露式母线，母线截面形状有矩形、L形、槽型及管型等。部分柜型也采用其它异形母线，如ABB公司的ArTu柜使用的K母线，GHK柜采用的H型母线。其中矩形母线在4000A电流等级以下应用最广泛，但其在更大电流系统中由于散热性能不好，消耗成本和占用空间较大，不宜采用。在4000A～8000A的系统中，槽型母线由于电流分布比较均匀，散热性能好、机械强度高、电能损失少、安装检修也方便，应用较多。
5.3 母线及其支撑件应能承受短路时产生的热应力及机械应力而不致损坏。对于额定短路电流大于10KA的主配电板，應对母线及其支撑件进行短路强度计算和复合。 5.4 母线相序（交流）和极性（直流）的安装排列应符合表1的规定。
5.5 母线的布置排列
常用母线布置方式有置顶和背挂两种。置顶布置时三相母线常作前后排列立放，此排列散热效果较好，短路时产生的应力较大。背挂布置时三相母线常作上下排列立放，短路时产生的应力较小，但涡流和磁滞损耗较大。设计时应根据空间情况综合考虑。
5.6 母线连接
为减小母线连接处的接触电阻，母线连接处表面宜采用镀锡或银处理，其连接螺栓宜采用8.8级高强度螺栓，以提高其紧固力和抗剪切应力。母线连接螺栓还应采取可靠地防松措施，在可靠性要求较高的系统中常采用施必牢紧固件。
6 通用要求
6.1 在设计过程中，应尽量控制主配电板的外形尺寸和重量，以减少在船舶建造时封舱前必须进入舱室的设备数量。配电板外形尺寸较大时，应考虑分段进仓。
6.2 主配电板的门应能在不小于90度的范围内灵活开闭，并设置限位装置。
6.3 主配电板操作和维修一侧应设置防摇绝缘扶手。板后开启的主配电板，其后面的绝缘扶手必须水平安装。
6.4 配电板顶部应设置可卸式的吊装件如吊装角钢或吊环等，吊装件应具有足够的强度。
6.5 主配电板带电部件之间，以及裸露带电部件和带电部件之间的电气间隙和爬电距离应符合表2规定。
此表中数值适用于带电部件之间及带电部件与裸露导电部件之间的电气间隙和爬电距离。
7 安全性设计
7.1 主配电板内部应用挡板或隔板分成单独的隔室或封闭的防护空间，以防止触及相邻功能单元的危险部件及固体外来物件从一个单元进入另一个单元。
7.2 在正常工作条件下，电气元件所产生的游离气体、电弧及火花不应危及人身的安全，亦不得影响其他电器元件的正常功能。
7.3 应采取措施以防止内部短路时产生的游离气体从配电板前面溢出。
7.4 主配电板的金属结构必须有可靠地接地措施。
7.5 为防止触及带电部件可采用以下方法：
（1）用绝缘材料（环氧有机玻璃丝布板、有机玻璃、聚碳酸酯板等）遮盖母线等带电部件。且所用绝缘材料应耐温并具有足够的机械强度。
（2）用门扣或锁将门扣紧，只有采用专用工具或钥匙才能将门开启。
（3）对断电5s后仍存有大于120V静电的设备，设置警告标志。
（4）对于可抽出式部件应与主电路间设置一个器件进行联锁，以保证主电路切断以后抽出部件才能抽出和插入。
8 其它应注意的问题
8.1 断路器分合闸对母线的影响
大电流断路器要求其触头接触压力大，分合闸时速度高，产生较大的冲击力。当这种巨大的冲击力作用于硬母线系统时，易造成母线的变形及螺栓松动，引起分支母线连接部位接触压力不足，接触电阻加大，温升升高。因此，在大电流的系统中，与断路器连接的分支母线宜采用柔性母线，把断路器分合闸应力释放于柔性母线，从而避免硬母线系统受到较大应力的冲击。
8.2 母线引起的涡流发热问题
当电流通过可导磁的导体时，由于交变磁场的作用，会产生涡流和磁滞损耗，引起发热，而且损耗会随电流增加而上升。
在结构设计时要充分考虑：
（1）有母线通过的金属结构部件和附近结构部件，采用非导磁材料如无磁不锈钢板。母线连接螺栓和母线夹具也要采用无磁不锈钢材料。
（2）在保证结构强度的情况下，尽可能加大导磁材料与母线的距离。
8.3 散热通风问题
电流流过导体时会产生热量，大电流的主配电板，其母线发热功率约可从几百瓦到几千瓦。如此大的热量若不尽快散发到外部空间，危险性是巨大的。散热主要通过辐射、对流两个途径，其中对流散热是关键环节。当发热量不是很大时，优先考虑自然通风散热。在板前上下设通风百叶窗是常用的办法。对于热密度太大，自然冷却方式不能满足散热要求时，可在柜内设置轴流风机和风扇，将柜内的热气与外部环境空气强制对流交换，达到散热目的。选择轴流风机要兼顾功率、风量和风机的持续工作寿命等。在空间允许的条件下，可采用两只轴流风机定时轮流工作的方式，避免因轴流风机的损坏而停电检修。
母线的表面处理也会影响到母线的散热效果。有级数据可查，喷漆和热塑绝缘套管的母线散热效果要明显优于镀锡、镀银处理的母线。这是由于喷漆和热塑绝缘套管的母线对外热辐射的能力要强于镀锡、镀银母线的缘故。
参考文献
[1] GB/T11634-2000，船用低压配电板通用技术条件.
[2] 黄绍平、李永坚、秦祖泽编著.成套电器技术.北京：机械工业出版社，2007.2.
[3] 钢制海船入級规范 2011，中国船级社.
[关键词]主配电板组成 壳体框架 外壳防护 母线系统 涡流 通风散热
中图分类号：F121.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0076-02
引言
主配电板是船舶电力系统的中枢，是用来把船舶电源的电能经过集中控制再分配到各用电设备的装置。其主要功能是对电力系统实施保护、分配、转换，对系统运行参数（电压、电流、功率、频率等）进行监视、测量和调控。
1 组成
1.1 主配电板由实现各种不同功能的功能屏组成。主要有发电机控制屏、并车屏、动力负载屏、和照明负载屏。各屏通过螺栓连接组合在一起固定于公共底座上，屏间设隔板，屏体与底座间设有隔震装置。
1.2 对于发电机总容量超过100KVA（a.c）或100KW（d.c）时，每台发电机应设独立的发电机屏。考虑到母线的分段隔离，部分船舶的主配电板设置隔离屏。大型船舶把机舱的辅机电动机起动器集中到主配电板上来，设置组合起动屏。
1.3 根据发电机的容量及台数、负载的数量和自动化程度来确定主配电板的组成。当屏数较多时，宜将发电机控制屏布置在中间，负载屏和组合启动屏布置在两侧。
2 壳体结构 按功能单元的安装方式，壳体结构分为固定式和抽屉式。
2.1 固定式是把各电器元件固定于壳体内安装板或构架上的壳体形式，安装后不能随意调整其位置。固定式壳体结构较为简单，但更换元器件需打开柜门用专用工具在屏内操作，不利于维修和调整。常用于发电机控制屏和并车屏壳体。
2.2 抽屉式柜体是将各功能单元做成可抽出的抽屉再安装于柜体内，维修时将抽屉抽出对元器件进行维修、调整的壳体形式。常用抽屉规格有8E/4、8E/2、8E、16E、24E等。抽屉具有连接位置、试验位置、断开位置、移动位置和分离位置。各抽屉与开关设有机械联锁装置，当开关处于分断时，抽屉才能抽出或插入；当开关处于合闸位置时，抽屉不能抽出或插入。同规格的功能单元抽屉可以方便地实现互换。抽屉式柜体具有较高的可靠性、安全性和互换性，它适合于对辅机电动机进行集中控制的组合启动屏。
3 壳体框架
3.1 壳体框架应具有足够的强度和刚度，应能承受所安装的元器件及短路时所产生的机械应力和热应力，并能在起吊、运输、振动和冲击状态下不发生有害变形。极限条件下，框架的结构安全系数一般不应小于2，受梁内应力的构件挠度不大于1/400。临界条件下，框架任何构件不允许产生塑性变形。
3.2 壳体框架应具有防盐雾、油雾、霉菌及防腐蚀措施。
3.3 框架连接方式
（1）焊接式 将各构件组焊成框架。优点是加工方便、连接可靠、整体强度高。缺点是误差大，易变形、难调整、美观性差，而且工件不能预镀。
（2）组装式 将各构件加工出可连接的孔，配以专用连接件，再用、自攻螺钉、螺栓和拉铆螺母连接紧固成框架。优点是适于工件预镀，易变化调节，易美化处理，零部件可标准化设计，可批量加工，构架外形尺寸误差小、互换性好。缺点是整体强度不如焊接式，要求零部件精度高，加工成本相对提升。
（3）焊接与组装混合式 可集中焊接式和组装式两种优点，一般在主要承载骨架连接处采用焊接，可变或可调部分采用组装连接。较大柜体焊接后镀覆有困难时，可将表面作喷漆处理。预镀件需焊接的，焊后可热喷镀金属来处理焊接部位。
3.4 框架构件
（1）型材 常用有角钢、槽钢和特种型材（如KB型材、8MF型材、C型材、FA8型材等）。角钢、槽钢构件多以焊接形式连接，特种型材可采用焊接式也可采用紧固件进行连接。特种型材的安装面上往往要加工出统一间距的模数孔。
（2）板材 板材多采用焊接连接，一次成形。可提高机械强度和防护等级，减少了连接构件。
3.5 柜体材料
a 冷轧钢板或角钢
b 不锈钢板（不导磁）
c 防锈铝（铝镁合金）
d 敷铝锌钢板或镀锌钢板
4 外壳防护
4.1 主配电板顶部防护等级应达到IP22的要求，但若主配电板安装在干燥的环境中，主配电板的后面和上方无水、油、蒸汽、管、油柜以及其它液体容器时，其顶部的防护等级可为IP21。
4.2 主配电板的两侧应有不低于IP2X的防护措施。500V以下的主配电板板后可以采用开启式。
4.3 500V以上的主配电板板后防护等级不能低于IP2X。
4.4 电缆进入主配电板处应有能防止漏水沿着电缆进入其内部的措施。
5 母线系统
母线系统是主配电板的重要组成部分，对主配电板供电的连续性和安全性有着重要意义。
5.1 母线应由导电用电解铜或铜包覆的铝合金制成。考虑到船舶使用环境的恶劣，为保证其可靠性，应采用硬质高纯度（99.5以上）的铜型材。
5.2 母线类型 一般采用敞露式母线，母线截面形状有矩形、L形、槽型及管型等。部分柜型也采用其它异形母线，如ABB公司的ArTu柜使用的K母线，GHK柜采用的H型母线。其中矩形母线在4000A电流等级以下应用最广泛，但其在更大电流系统中由于散热性能不好，消耗成本和占用空间较大，不宜采用。在4000A～8000A的系统中，槽型母线由于电流分布比较均匀，散热性能好、机械强度高、电能损失少、安装检修也方便，应用较多。
5.3 母线及其支撑件应能承受短路时产生的热应力及机械应力而不致损坏。对于额定短路电流大于10KA的主配电板，應对母线及其支撑件进行短路强度计算和复合。 5.4 母线相序（交流）和极性（直流）的安装排列应符合表1的规定。
5.5 母线的布置排列
常用母线布置方式有置顶和背挂两种。置顶布置时三相母线常作前后排列立放，此排列散热效果较好，短路时产生的应力较大。背挂布置时三相母线常作上下排列立放，短路时产生的应力较小，但涡流和磁滞损耗较大。设计时应根据空间情况综合考虑。
5.6 母线连接
为减小母线连接处的接触电阻，母线连接处表面宜采用镀锡或银处理，其连接螺栓宜采用8.8级高强度螺栓，以提高其紧固力和抗剪切应力。母线连接螺栓还应采取可靠地防松措施，在可靠性要求较高的系统中常采用施必牢紧固件。
6 通用要求
6.1 在设计过程中，应尽量控制主配电板的外形尺寸和重量，以减少在船舶建造时封舱前必须进入舱室的设备数量。配电板外形尺寸较大时，应考虑分段进仓。
6.2 主配电板的门应能在不小于90度的范围内灵活开闭，并设置限位装置。
6.3 主配电板操作和维修一侧应设置防摇绝缘扶手。板后开启的主配电板，其后面的绝缘扶手必须水平安装。
6.4 配电板顶部应设置可卸式的吊装件如吊装角钢或吊环等，吊装件应具有足够的强度。
6.5 主配电板带电部件之间，以及裸露带电部件和带电部件之间的电气间隙和爬电距离应符合表2规定。
此表中数值适用于带电部件之间及带电部件与裸露导电部件之间的电气间隙和爬电距离。
7 安全性设计
7.1 主配电板内部应用挡板或隔板分成单独的隔室或封闭的防护空间，以防止触及相邻功能单元的危险部件及固体外来物件从一个单元进入另一个单元。
7.2 在正常工作条件下，电气元件所产生的游离气体、电弧及火花不应危及人身的安全，亦不得影响其他电器元件的正常功能。
7.3 应采取措施以防止内部短路时产生的游离气体从配电板前面溢出。
7.4 主配电板的金属结构必须有可靠地接地措施。
7.5 为防止触及带电部件可采用以下方法：
（1）用绝缘材料（环氧有机玻璃丝布板、有机玻璃、聚碳酸酯板等）遮盖母线等带电部件。且所用绝缘材料应耐温并具有足够的机械强度。
（2）用门扣或锁将门扣紧，只有采用专用工具或钥匙才能将门开启。
（3）对断电5s后仍存有大于120V静电的设备，设置警告标志。
（4）对于可抽出式部件应与主电路间设置一个器件进行联锁，以保证主电路切断以后抽出部件才能抽出和插入。
8 其它应注意的问题
8.1 断路器分合闸对母线的影响
大电流断路器要求其触头接触压力大，分合闸时速度高，产生较大的冲击力。当这种巨大的冲击力作用于硬母线系统时，易造成母线的变形及螺栓松动，引起分支母线连接部位接触压力不足，接触电阻加大，温升升高。因此，在大电流的系统中，与断路器连接的分支母线宜采用柔性母线，把断路器分合闸应力释放于柔性母线，从而避免硬母线系统受到较大应力的冲击。
8.2 母线引起的涡流发热问题
当电流通过可导磁的导体时，由于交变磁场的作用，会产生涡流和磁滞损耗，引起发热，而且损耗会随电流增加而上升。
在结构设计时要充分考虑：
（1）有母线通过的金属结构部件和附近结构部件，采用非导磁材料如无磁不锈钢板。母线连接螺栓和母线夹具也要采用无磁不锈钢材料。
（2）在保证结构强度的情况下，尽可能加大导磁材料与母线的距离。
8.3 散热通风问题
电流流过导体时会产生热量，大电流的主配电板，其母线发热功率约可从几百瓦到几千瓦。如此大的热量若不尽快散发到外部空间，危险性是巨大的。散热主要通过辐射、对流两个途径，其中对流散热是关键环节。当发热量不是很大时，优先考虑自然通风散热。在板前上下设通风百叶窗是常用的办法。对于热密度太大，自然冷却方式不能满足散热要求时，可在柜内设置轴流风机和风扇，将柜内的热气与外部环境空气强制对流交换，达到散热目的。选择轴流风机要兼顾功率、风量和风机的持续工作寿命等。在空间允许的条件下，可采用两只轴流风机定时轮流工作的方式，避免因轴流风机的损坏而停电检修。
母线的表面处理也会影响到母线的散热效果。有级数据可查，喷漆和热塑绝缘套管的母线散热效果要明显优于镀锡、镀银处理的母线。这是由于喷漆和热塑绝缘套管的母线对外热辐射的能力要强于镀锡、镀银母线的缘故。
参考文献
[1] GB/T11634-2000，船用低压配电板通用技术条件.
[2] 黄绍平、李永坚、秦祖泽编著.成套电器技术.北京：机械工业出版社，2007.2.
[3] 钢制海船入級规范 2011，中国船级社.