（海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室 桂林 541002）

1 引言

艦船電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，由于設(shè)備受到打擊破壞或操作不當(dāng)?shù)雀鞣矫嬖?，不可避免地?huì)出現(xiàn)各種不正常運(yùn)行或故障情況。短路故障是艦船電力系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障之一，若不及時(shí)排除，會(huì)使電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行受到威脅，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致整個(gè)艦船電力系統(tǒng)的供電中斷，影響艦船的正常運(yùn)行，危害相關(guān)人員的人身安全，嚴(yán)重降低艦船的生命力［1］。因此，艦船電力系統(tǒng)必須配備可靠的保護(hù)裝置。

在艦船電力系統(tǒng)中，對(duì)短路保護(hù)的基本要求是［2～7］：

1）選擇性

保護(hù)的選擇性是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置盡可能只切除故障部分，使故障情況下被開(kāi)斷的線(xiàn)路限制在最小范圍，保證非故障線(xiàn)路繼續(xù)正常供電。

2）快速性

保護(hù)的快速性要求故障的切除時(shí)間盡可能的短，以減少電網(wǎng)在大電流、低電壓下運(yùn)行的時(shí)間。

靈敏性是指對(duì)保護(hù)范圍內(nèi)所發(fā)生的故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)的反應(yīng)能力。滿(mǎn)足靈敏性要求的保護(hù)裝置應(yīng)該在規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，都能反應(yīng)靈敏。

4）可靠性

可靠性要求在其規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置不拒動(dòng)；而在不需要其動(dòng)作時(shí)可靠不動(dòng)作，即不發(fā)生誤動(dòng)。

以上保護(hù)“四性”基本要求是評(píng)價(jià)和研究電網(wǎng)保護(hù)性能的基礎(chǔ)，在它們之間，存在矛盾的一面，比如：為了保證選擇性，有時(shí)就要求保護(hù)動(dòng)作必須具有一定的延時(shí)；為了提高快速性，有時(shí)又允許保護(hù)裝置無(wú)選擇地動(dòng)作。在進(jìn)行艦船電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合考慮上述保護(hù)“四性”要求，使以上四個(gè)基本要求在所配置的保護(hù)中得到統(tǒng)一。

2 時(shí)間電流保護(hù)方法的整定原則

艦船電力系統(tǒng)中斷路器的動(dòng)作延時(shí)時(shí)間分為瞬動(dòng)、短延時(shí)和長(zhǎng)延時(shí)三段，其中瞬動(dòng)和短延時(shí)按時(shí)間電流原則進(jìn)行整定以提供短路保護(hù)。長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)主要是針對(duì)系統(tǒng)中的過(guò)載和高阻抗故障，本文不予討論。

2．1 輸電網(wǎng)保護(hù)整定

在時(shí)間電流原則下，艦船電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)中斷路器主要采用短延時(shí)保護(hù)，通過(guò)斷路器動(dòng)作延時(shí)的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)選擇性。通常情況下，按照由短到長(zhǎng)的延時(shí)時(shí)間依次對(duì)跨接斷路器，母聯(lián)斷路器，發(fā)電機(jī)斷路器進(jìn)行整定。同時(shí)，為保證斷路器動(dòng)作的靈敏性，要求母聯(lián)斷路器和跨接斷路器的短延時(shí)電流整定值小于發(fā)電機(jī)斷路器短延時(shí)電流整定值。按照國(guó)軍標(biāo)要求，艦船環(huán)形輸電網(wǎng)中斷路器的整定值如表1所示［8］。

2．2 配電網(wǎng)保護(hù)整定

艦船交流輻射狀配電網(wǎng)一般包括三級(jí)保護(hù)，排列順序依次是：主配電板（第一級(jí)）→配電中心（第二級(jí)）→分配電箱（第三級(jí)）。按照國(guó)軍標(biāo)的要求，這三級(jí)斷路器的保護(hù)整定值設(shè)置如表2所示［9～10］。其中，主配電板至配電中心的斷路器不設(shè)置瞬動(dòng)，通常采用短延時(shí)保護(hù)中最短短延時(shí)時(shí)間段以實(shí)現(xiàn)配電中心以下短路故障的選擇性保護(hù)，短延時(shí)電流整定值按電流原則進(jìn)行設(shè)置。其余兩級(jí)斷路器沒(méi)有短延時(shí)保護(hù)，只設(shè)置瞬動(dòng)保護(hù)，瞬動(dòng)電流整定值按電流原則設(shè)置，要求上級(jí)斷路器的電流整定值要大于等于下級(jí)斷路器的電流整定值以保證斷路器動(dòng)作的靈敏性。

表1 時(shí)間電流原則保護(hù)下輸電網(wǎng)斷路器整定值

表2 時(shí)間電流原則保護(hù)下配電網(wǎng)斷路器整定值

3 時(shí)間電流保護(hù)特性

為研究斷路器動(dòng)作狀態(tài)和斷路器短路電流的匹配關(guān)系，本節(jié)分析了不同工況、不同故障點(diǎn)下，系統(tǒng)中各斷路器流過(guò)的短路電流特性。由于按時(shí)間電流原則在進(jìn)行斷路器電流整定值的計(jì)算時(shí)，依據(jù)的是各斷路器流過(guò)的最小短路電流，因此，在斷路器短路電流特性分析中忽略了電網(wǎng)中電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流。

1.1.3 供試藥劑 室內(nèi)毒力測(cè)定：90%阿維菌素原粉，華北制藥愛(ài)諾股份有限公司生產(chǎn)；25%甲胺基阿維菌素苯甲酸鹽，華北制藥愛(ài)諾股份有限公司生產(chǎn)；81.7%噻唑膦原油，壽光市申達(dá)化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)。田間藥效試驗(yàn)：2%阿維菌素、2%甲胺基阿維菌素苯甲酸鹽和10%噻唑膦，河北三農(nóng)農(nóng)用化工有限公司。

3．1 交流環(huán)形輸電網(wǎng)保護(hù)特性

圖1所示為一典型的艦船交流環(huán)形輸電網(wǎng)，該系統(tǒng)由前后兩個(gè)電站構(gòu)成，每個(gè)電站內(nèi)有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組，系統(tǒng)為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行，即兩舷跨接線(xiàn)不會(huì)同時(shí)接通。當(dāng)短路故障發(fā)生在輸電網(wǎng)線(xiàn)路中，在不同工況和不同位置下各斷路器上流過(guò)的短路電流差異較大。例如發(fā)電機(jī)G1出口斷路器B1，其流過(guò)的短路電流有以下三種情況：

1）G1～G4中任意一臺(tái)發(fā)電機(jī)的短路電流；

2）G2～G4中任意兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的短路電流之和；

3）G2～G4三臺(tái)發(fā)電機(jī)的短路電流之和。

圖1 四機(jī)組交流環(huán)形輸電網(wǎng)

同理，母聯(lián)斷路器可能流過(guò)1～3臺(tái)發(fā)電機(jī)短路電流，跨接斷路器可能流過(guò)1～2臺(tái)發(fā)電機(jī)短路電流。由于發(fā)電機(jī)短路電流值與短路故障類(lèi)型（三相短路、相間短路）、線(xiàn)路阻抗、短路合閘角、發(fā)電機(jī)負(fù)荷率等因素有關(guān)，單機(jī)，雙機(jī)并聯(lián)和三機(jī)并聯(lián)工況下由發(fā)電機(jī)提供的短路電流的變化區(qū)間分別為［I′Gmin，I′Gmax］，［I″Gmin，I″Gmax］和［I?Gmin，I?Gmax］。輸電網(wǎng)線(xiàn)路阻抗較小，可忽略線(xiàn)路阻抗的影響，若圖1中四臺(tái)發(fā)電機(jī)組參數(shù)相同，那么有I′Gmin＝I″Gmin／2＝I?Gmin／3，I′Gmax＝I″Gmax／2＝I?Gmax／3。當(dāng)短路故障發(fā)生在輸電網(wǎng)時(shí)，輸電網(wǎng)中三類(lèi)斷路器短路電流的分布特性如圖2中豎線(xiàn)框所示。圖2中ING為發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)短路電流。

當(dāng)短路故障發(fā)生在配電網(wǎng)線(xiàn)路中時(shí)，發(fā)電機(jī)出口斷路器只可能流過(guò)1臺(tái)發(fā)電機(jī)的短路電流，母聯(lián)斷路器仍可能流過(guò)1～3臺(tái)發(fā)電機(jī)的短路電流，跨接斷路器也可能流過(guò)1～2臺(tái)發(fā)電機(jī)短路電流。此時(shí)各發(fā)電機(jī)提供的短路電流大小受線(xiàn)路阻抗影響較大，在主配電板這一級(jí)斷路器的出口發(fā)生短路故障時(shí)短路電流較大。在配電網(wǎng)線(xiàn)路末端發(fā)生短路故障時(shí)，各發(fā)電機(jī)提供的短路電流很小。因此，輸電網(wǎng)中三類(lèi)斷路器短路電流值在配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)的分布特性如圖2中橫線(xiàn)框所示，其中格子框所示為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)故障下短路電流分布特性的重疊部分。

圖2 輸電網(wǎng)斷路器短路電流特性

由表1所述斷路器整定原則，這三類(lèi)斷路器的短延時(shí)電流整定值都將在圖2（a）中虛線(xiàn)左側(cè)。由圖2所示各斷路器短路電流特性，在所有工況下，當(dāng)環(huán)形電網(wǎng)中任一線(xiàn)路發(fā)生短路故障，各斷路器的短延時(shí)保護(hù)都將啟動(dòng)，由斷路器短延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，按先解列電站，再斷開(kāi)并聯(lián)機(jī)組，最后斷開(kāi)發(fā)電機(jī)的順序進(jìn)行保護(hù)。發(fā)電機(jī)斷路器的瞬動(dòng)電流整定值在圖2（c）中虛線(xiàn)右側(cè)且小于I″Gmin，因此，只有在三機(jī)并聯(lián)或四機(jī)并聯(lián)工況且發(fā)電機(jī)至出口斷路器之間的線(xiàn)路上發(fā)生短路故障時(shí)，其瞬動(dòng)保護(hù)才會(huì)啟動(dòng)。

3．2 交流輻射狀配電網(wǎng)保護(hù)特性

交流輻射狀配電網(wǎng)中斷路器所經(jīng)短路電流隨短路點(diǎn)線(xiàn)路阻抗增加的變化曲線(xiàn)如圖3所示，圖中［I′1min，I′1max］為單臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況下斷路器B1所經(jīng)短路電流的變化區(qū)間，［I″1min，I″1max］為兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行工況下斷路器B1所經(jīng)短路電流的變化區(qū)間，Id1為斷路器B1短延時(shí)電流整定值，Is2、Is3分別為斷路器B2和B3的瞬動(dòng)電流整定值。

圖3 輻射狀配電網(wǎng)短路電流變化曲線(xiàn)

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：短路前主配電板上所接發(fā)電機(jī)數(shù)量越多，配電網(wǎng)中斷路器短路電流隨短路點(diǎn)線(xiàn)路阻抗增加下降得越快；在配電網(wǎng)負(fù)載側(cè)的線(xiàn)路末端，不同工況下斷路器短路電流將逐漸逼近。這是由于在計(jì)算配電網(wǎng)短路故障下發(fā)電機(jī)饋送的短路電流時(shí)，可以將輸電網(wǎng)中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)進(jìn)行等效處理，而由發(fā)電機(jī)的等效公式，被等效的發(fā)電機(jī)數(shù)量越多，等效發(fā)電機(jī)的超瞬變電抗、瞬變電抗、電樞電阻等參數(shù)越小，其短路電流隨線(xiàn)路阻抗的增加下降得越快。

由于配電網(wǎng)斷路器在不同工況下短路電流變化范圍很大，按表2進(jìn)行斷路器整定后，當(dāng)下一級(jí)線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，本級(jí)斷路器短路電流值可能大于其整定值，這將造成上下級(jí)斷路器同時(shí)啟動(dòng)保護(hù)。由于斷路器B1延時(shí)時(shí)間大于B2動(dòng)作時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)f2故障下保護(hù)的選擇性；斷路器B2和B3都采用瞬動(dòng)保護(hù)，必然造成某些情況下f3故障時(shí)，斷路器B2和B3同時(shí)動(dòng)作。

4 時(shí)間電流原則保護(hù)的缺陷分析

現(xiàn)有艦船電力系統(tǒng)中時(shí)間電流原則保護(hù)方法主要的缺點(diǎn)在于：

1）保護(hù)的選擇性不夠，可能造成失電范圍的擴(kuò)大

按照表1所述原則對(duì)圖1所示輸電網(wǎng)斷路器進(jìn)行整定，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于如圖4所示運(yùn)行工況下主配電板匯流排S8上發(fā)生短路故障f1時(shí)，跨接斷路器B7和B8因延時(shí)時(shí)間最短而首先動(dòng)作，造成主配電板S7和S8同時(shí)失電。此時(shí)，選擇性最優(yōu)的斷路器動(dòng)作方案應(yīng)該是母聯(lián)斷路器B6動(dòng)作切除故障，僅主配電板S8失電。

配電網(wǎng)保護(hù)選擇性不佳的原因如3．2節(jié)所述，由于一般艦船電力系統(tǒng)中斷路器短延時(shí)時(shí)間為四級(jí)，而輸電網(wǎng)斷路器短延時(shí)時(shí)間需要三級(jí)，因此配電中心以下斷路器只能按電流原則設(shè)置瞬動(dòng)保護(hù)。

圖4 發(fā)電機(jī)G1、G2并聯(lián)運(yùn)行工況

2）延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大

時(shí)間電流原則保護(hù)方法是以犧牲保護(hù)快速性為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性。仍以圖1所示艦船電網(wǎng)為例，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于四機(jī)單獨(dú)運(yùn)行工況，即母聯(lián)和跨接斷路器全部斷開(kāi)，四臺(tái)發(fā)電機(jī)對(duì)各自主配電板供電，此時(shí)發(fā)電機(jī)出口斷路器的短延時(shí)時(shí)間只需比主配電板斷路器的短延時(shí)時(shí)間高一個(gè)等級(jí)即可。按表1所述整定原則，發(fā)電機(jī)出口斷路器的短延時(shí)時(shí)間仍按最長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間進(jìn)行整定，這將造成主配電板短路故障的切除時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)發(fā)電機(jī)的絕緣、匯流排熱穩(wěn)定性等都是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

時(shí)間電流原則保護(hù)方法應(yīng)用于艦船電力系統(tǒng)中存在以上缺點(diǎn)的主要原因是斷路器整定值一旦固定就無(wú)法改變，而艦船電力系統(tǒng)運(yùn)行工況多變，不同工況下系統(tǒng)對(duì)保護(hù)性能的要求也有所不同，這種固定的整定值無(wú)法在每種工況下都達(dá)到最優(yōu)的保護(hù)性能，只能選擇一種兼顧各種運(yùn)行工況的折中方案，因此造成某些工況下保護(hù)性能不佳。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要完成對(duì)艦船電力系統(tǒng)保護(hù)特性的分析。時(shí)間電流保護(hù)方法的特點(diǎn)是事先整定、實(shí)時(shí)動(dòng)作，當(dāng)應(yīng)用于艦船電力系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于輸電網(wǎng)短路故障采取先解列電站，再斷開(kāi)并聯(lián)機(jī)組，最后斷開(kāi)發(fā)電機(jī)的保護(hù)順序；對(duì)于配電網(wǎng)短路故障，主配電板斷路器設(shè)置短延時(shí)保證選擇性，其余斷路器按電流原則設(shè)置瞬動(dòng)保護(hù)。艦船電力系統(tǒng)中各斷路器在不同運(yùn)行工況下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差異較大，時(shí)間電流保護(hù)這種固定的動(dòng)作模式將造成系統(tǒng)在某些工況的短路故障下失電范圍擴(kuò)大，短路電流持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

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