徐濱海，莫文科，孫曉蔚，王 亮

●（1．中國船舶重工集團(tuán)第七〇四研究所，上海 200031；2．中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司技術(shù)本部，江蘇南通 226000）

多機(jī)組船舶供電系統(tǒng)保護(hù)方案分析

徐濱海1，莫文科1，孫曉蔚1，王 亮2

●（1．中國船舶重工集團(tuán)第七〇四研究所，上海 200031；2．中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司技術(shù)本部，江蘇南通 226000）

船舶電力系統(tǒng)容量的不斷增大使系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)數(shù)量增多，分段和聯(lián)絡(luò)斷路器的電流值都相應(yīng)增加，從而給系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計帶來了一定困難。本文以多臺發(fā)電機(jī)的某船電力系統(tǒng)為例，設(shè)計了該船供電系統(tǒng)的保護(hù)方案。

船舶供電系統(tǒng)；保護(hù)方案；瞬動；長延時；短延時

0 引言

船舶電力系統(tǒng)在運行過程中可能發(fā)生各種故障和不正常運行狀態(tài)，會損壞設(shè)備或縮短其使用壽命,影響電能質(zhì)量,破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。船舶電力系統(tǒng)的保護(hù)需要自動、迅速、有選擇地將故障部分從電網(wǎng)中隔離，保證無故障區(qū)域的正常運行，同時還需要反映系統(tǒng)運行中的不正常運行狀態(tài)。因此，為避免各種故障對系統(tǒng)設(shè)備造成損害或破壞系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，有必要對系統(tǒng)的選擇性保護(hù)方案進(jìn)行研究，通過研究確定系統(tǒng)的保護(hù)方案，確保船舶電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計的選擇性、靈敏性、可靠性和速動性。

1 斷路器保護(hù)功能的分析

斷路器具有長延時、短延時、瞬動和欠壓的保護(hù)功能，現(xiàn)分別分析各種保護(hù)功能的作用。

斷路器的長延時保護(hù)主要針對本回路過載或非正常運行狀態(tài)的限制，防止設(shè)備或電纜由于過電流而導(dǎo)致溫度過高而影響使用壽命，其設(shè)定主要根據(jù)各斷路器所在位置的運行限制確定。斷路器的短延時保護(hù)主要是為該斷路器的下一級匯流排、饋線斷路器之后的所有低阻抗故障提供與這些斷路器之間的選擇性保護(hù)，防止出現(xiàn)較大的過電流而燒毀設(shè)備。利用斷路器短延時動作電流和動作時間可設(shè)置的特點，實現(xiàn)有選擇的分區(qū)域故障切除，以最大可能實現(xiàn)非故障回路的正常運行。采用的策略是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障電流使多個斷路器超過設(shè)定值時：1）切斷聯(lián)絡(luò)斷路器，使并聯(lián)電站解列；如果故障發(fā)生在聯(lián)絡(luò)斷路器電纜上，則故障消除，各電站可按照正常的功率需求進(jìn)行調(diào)整并達(dá)到穩(wěn)定；如果故障發(fā)生在電站內(nèi)，則非故障電站可按照正常的功率需求進(jìn)行調(diào)整并達(dá)到穩(wěn)定；2）在故障電站內(nèi)如果多個斷路器電流超過設(shè)定值，則先分?jǐn)喾侄螖嗦菲?，使電站?nèi)機(jī)組解列運行；則無論故障發(fā)生在何處，必然只能影響其中一個小區(qū)域，其它區(qū)域可按照正常的功率需求進(jìn)行調(diào)整并達(dá)到穩(wěn)定；3）在故障區(qū)，跳開機(jī)組斷路器并停機(jī)，實現(xiàn)故障隔離。

斷路器的瞬時動作保護(hù)是為了防止出現(xiàn)嚴(yán)重的短路故障而設(shè)置的保護(hù)，是指當(dāng)脫扣器通過大于其整定的電流值時在 0.2s的機(jī)械固有動作時間內(nèi)迅速分?jǐn)?。瞬動保護(hù)一般不作為系統(tǒng)故障的主要保護(hù)手段，因為當(dāng)瞬時保護(hù)能夠動作于2相、3相故障時，其整定值要求小于最小的兩相短路故障電流。當(dāng)發(fā)生稍嚴(yán)重的電網(wǎng)故障時，存在多個工作斷路器甚至全部工作斷路器的電流都超過設(shè)定值，而發(fā)生大面積跳閘，導(dǎo)致大范圍失電的情況。這樣的保護(hù)設(shè)置基本失去選擇性，降低了供電連續(xù)性。

如果對分段和聯(lián)絡(luò)斷路器都設(shè)置瞬動保護(hù)，則在發(fā)生短路時，系統(tǒng)中多個斷路器同時會出現(xiàn)較大的瞬時過電流，從而使系統(tǒng)中該電流流經(jīng)的斷路器大量跳閘，影響電站或系統(tǒng)的完整性，造成不必要的系統(tǒng)解列。因此，本系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)設(shè)置瞬動保護(hù)，分段和聯(lián)絡(luò)斷路器的瞬動保護(hù)功能均可取消。

2 保護(hù)方案

由于船舶電力系統(tǒng)范圍較小，線路相對較短以及大部分用電設(shè)備都集中在機(jī)艙和起居室處的特點，系統(tǒng)中上下級斷路器所在的位置上短路故障電流值差別不大。因此，根據(jù)保護(hù)設(shè)計的一般要求，僅對機(jī)組斷路器進(jìn)行瞬時動作設(shè)置。只針對機(jī)組出線電纜嚴(yán)重故障、故障機(jī)組與2臺或以上機(jī)組并聯(lián)且負(fù)載足夠大時進(jìn)行快速定位和動作。

根據(jù)艦船電網(wǎng)的特點，船舶電力系統(tǒng)保護(hù)的主要范圍包括主干網(wǎng)絡(luò)上的所有電纜和發(fā)電機(jī)組。針對的主要故障為線路2相和3相短路、機(jī)組過載和逆功。

1）供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生2相短路和3相短路時，通過斷路器的短延時和瞬時動作設(shè)置，實現(xiàn)故障的切除；

2）通過機(jī)組、分段和聯(lián)絡(luò)斷路器斷路器的長延時動作設(shè)置，實現(xiàn)過載保護(hù)；

3）通過機(jī)組、分段和聯(lián)絡(luò)斷路器斷路器的過載預(yù)報警設(shè)置，實現(xiàn)機(jī)組、母排和聯(lián)絡(luò)線的過載預(yù)警示；

4）通過主配電板控制屏內(nèi)的逆功率繼電器進(jìn)行機(jī)組逆功保護(hù)；

5）此外，發(fā)電機(jī)和聯(lián)絡(luò)斷路器斷路器都設(shè)置了欠壓保護(hù)。

2.1 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)過載預(yù)報警：運行模式里當(dāng)單機(jī)功率達(dá)85%左右，將進(jìn)行自動增機(jī)的操作，一般45 s后完成增機(jī)操作，過載預(yù)報警作為該操作的后備保護(hù)，96%額定電流時會經(jīng)10 s后報警，讓操作人員進(jìn)行手動增機(jī)等操作。

過載長延時保護(hù)：為避開發(fā)電機(jī)1.1倍的過載運行能力、5%的斷路器誤差，以及電動機(jī)的啟動電流，反時限保護(hù)的整定啟動值為1.2倍的發(fā)電機(jī)額定電流Ie。斷路器長延時考核點處對應(yīng)的延時時間一般取為該斷路器的最長延時時間，以充分利用發(fā)電機(jī)組的過載能力，保證發(fā)電機(jī)持續(xù)在網(wǎng)供電。

短延時保護(hù)：短延時需要考慮大容量電動機(jī)的啟動過程產(chǎn)生較大沖擊電流及脫扣器的檢測誤差。按照規(guī)定，電流整定值要不大于被保護(hù)發(fā)電機(jī)單機(jī)穩(wěn)態(tài)短路電流的80%，延時時間要略大于分段斷路器及電站間聯(lián)絡(luò)斷路器的延時時間，還需要考慮給負(fù)載斷路器留一級的短延時保護(hù)檔位。因此短延時時間一般取為發(fā)電機(jī)斷路器的最大可設(shè)定值。按照相關(guān)要求[4]，船舶發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)短路電流一般不低于發(fā)電機(jī)額定電流的3倍，因此，短延時的整定電流可取2.4(3.0×0.8)倍單機(jī)額定電流。

瞬時保護(hù)：該保護(hù)適用于3機(jī)及以上發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電的情況下發(fā)電機(jī)出口短路的情況，其整定值選擇大于 1.2倍發(fā)電機(jī)機(jī)端短路的最大峰值短路電流ipg再除以 2。

逆功保護(hù)：借助逆功繼電器實現(xiàn)，柴油機(jī)組整定為額定功率的8%～15%，延時3s～10s。并且要求在外加電壓跌落50%的情況下，逆功率繼電器依然要求有效[3]。

欠電壓保護(hù)：低壓機(jī)組利用欠壓脫扣器，在 35%～70%額定電壓情況下延時3s～5s動作。

差動保護(hù)：為進(jìn)一步對發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)，防止在小工況的情況無法迅速定位發(fā)電機(jī)的內(nèi)部短路故障的情況，在發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部以及主配電板進(jìn)線端裝設(shè)了差動電流互感器，對發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障進(jìn)行保護(hù)。

2.2 分段母排斷路器

電流長延時保護(hù)：根據(jù)匯流排的設(shè)計額定通過電流能力，為充分利用其傳輸能力并考慮脫扣器的誤差，長延時保護(hù)的電流啟動值整定為 1.05倍的分段斷路器的額定電流，斷路器長延時考核點處對應(yīng)的延時時間需要考慮與發(fā)電機(jī)長延時的配合并考慮脫扣器本身的誤差。在發(fā)生過載，通過相同的過電流時，使分段斷路器先分?jǐn)?，保證故障的隔離。因此，分段斷路器的長延時動作時間應(yīng)小于發(fā)電機(jī)的長延時動作時間。

短延時保護(hù)：該短延時的電流整定值與聯(lián)絡(luò)斷路器對應(yīng)，整定值取1.5倍脫扣器的額定電流，延時時間需要考慮本斷路器的最長全分?jǐn)鄷r間不能大于發(fā)電機(jī)的最短分?jǐn)鄷r間，并且還要給下級（聯(lián)絡(luò)線或負(fù)載）留有設(shè)定值。因此，分段斷路器的長延時一般取符合上述要求并離發(fā)電機(jī)短延時整定值最近的那一檔。

2.3 電站聯(lián)絡(luò)線

電流長延時保護(hù)：為了保護(hù)電站間聯(lián)絡(luò)線并充分利用聯(lián)絡(luò)線的傳輸能力及考慮脫扣器的檢測誤差，過載長延時的啟動值選擇 1.05倍的電站間聯(lián)絡(luò)線的額定電流。聯(lián)絡(luò)斷路器長延時考核點處對應(yīng)的延時時間需要考慮與分段斷路器長延時的配合并考慮脫扣器本身的誤差。在發(fā)生過載，通過相同的過電流時，使聯(lián)絡(luò)斷路器先分?jǐn)?，保證故障的隔離，因此，聯(lián)絡(luò)斷路器的長延時動作時間應(yīng)小于分段斷路器的長延時動作時間。

短延時保護(hù)：該短延時的電流整定值與分段斷路器對應(yīng)，整定值取1.5倍脫扣器的額定電流，延時時間需要考慮本斷路器的最長全分?jǐn)鄷r間不能上一級（分段斷路器）的最短分?jǐn)鄷r間，并且還要給下級（負(fù)載）留有設(shè)定值。因此，聯(lián)絡(luò)斷路器的長延時一般取符合上述要求并離分段斷路器短延時整定值最近的那一檔。

2.4 岸電保護(hù)

由于船舶電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計都是以船舶電源供電為依據(jù)，繼而選擇保護(hù)裝置整定值，所以對岸電供電時的系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)沒有具體要求?？紤]到岸電的容量相當(dāng)于一臺發(fā)電機(jī)的額定容量，因此在保護(hù)的設(shè)置上要參考發(fā)電機(jī)的設(shè)置。

3 系統(tǒng)概述

某船由前后電站通過前后電站的聯(lián)絡(luò)接線連接而成，每個電站各有3臺400V，1056kW，額定電流1905A的柴油發(fā)電機(jī)組，系統(tǒng)的總?cè)萘窟_(dá)到6336kW。分段和聯(lián)絡(luò)線最多允許通過4000A的電流。岸電通過右舷的電站間聯(lián)絡(luò)線接入系統(tǒng)的主電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)和岸電斷路器采用2500A級的斷路器，分段和聯(lián)絡(luò)斷路器采用4000A級的斷路器。在運行過程中，一個電站可通過聯(lián)絡(luò)電纜向?qū)γ骐娬竟╇姟?/p>

根據(jù)上述的系統(tǒng)參數(shù)結(jié)合保護(hù)方案的設(shè)置，對圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行短路計算[4]，根據(jù)計算結(jié)果可畫出保護(hù)配合曲線，如圖2、圖3所示。由圖2可以看出，在單機(jī)運行的情況下，發(fā)電機(jī)進(jìn)入短延時而分?jǐn)嗟?lián)絡(luò)斷路器還在長延時階段，這是因為隨系統(tǒng)容量的增大，分段和聯(lián)絡(luò)斷路器允許的通過的電流增大，兩者進(jìn)入短延時的電流相對于發(fā)電機(jī)更大。因此，在單機(jī)運行的情況下，可能存在保護(hù)選擇性不夠的而使發(fā)電機(jī)主斷路器先動作的情況。但是，如圖3所示，在兩機(jī)同側(cè)運行時這個問題可避免。

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 單機(jī)保護(hù)特性曲線

圖3 兩機(jī)保護(hù)特性曲線（等效為一臺發(fā)電機(jī)）

4 結(jié)論

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對某船的供電系統(tǒng)保護(hù)方案進(jìn)行分析，由于船舶供電系統(tǒng)容量的增大[5]，傳統(tǒng)的斷路器三段式保護(hù)在單機(jī)運行時存在一定的選擇性盲區(qū)，因此在運行時需要進(jìn)行發(fā)電機(jī)組合運行方式的優(yōu)化，但是，這還可能存在保護(hù)選擇性不好的區(qū)域，因此在船舶上應(yīng)用差動保護(hù)[5]等保護(hù)形式變得更必要。

[1]賀家李, 宋從矩. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M]. 北京:中國電力出版社, 2004.

[2]中國船級社. 船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護(hù)指南[S]. 上海: 上海規(guī)范所, 2006.

[3]GB/T 13032-2010 船用柴油發(fā)電機(jī)組[S]. 北京: 國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會, 2010.

[4]GB 3321-1982 船舶交流系統(tǒng)的短路計算[S]. 北京:國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會, 1995.

[5]王煥文. 船舶電力系統(tǒng)及自動裝置[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004.

Analysis on Protective Scheme for Mass Generators Shipboard Supply Power System

XU Bin-hai1, MO Wen-ke1, SUN Xiao-wei1, WANG Liang2
(1. Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China;2. Nantong COSCO KHI Ship Engineering Co., Ltd., Jiangsu Nantong 226000, China)

As ship power system capacity increases, the number of generator together with the tie link switch and jumper switch current also increases, which makes the system protection design difficult. The generators system protection scheme is designed.

shipboard supply power system; protective scheme; instantaneous protection; long time delay protection; short time delay protection

TM 464

A

徐濱海（1981-），男，碩士。主要從事船舶電力系統(tǒng)設(shè)計。