王正甲　顧偉杰

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

船舶電氣

船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)誤區(qū)分析

王正甲顧偉杰

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

船舶電力系統(tǒng)的過電流選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的安全性起著至關(guān)重要的作用，但是很多設(shè)計(jì)人員對(duì)其認(rèn)識(shí)還比較片面，存在一些概念誤區(qū)，致使設(shè)計(jì)上出現(xiàn)偏差。通過分析幾個(gè)典型案例，就選擇性保護(hù)的概念及設(shè)計(jì)進(jìn)行梳理，以期對(duì)設(shè)計(jì)人員有所幫助。

完全選擇性；部分選擇性；能量脫扣；反時(shí)限過流保護(hù)

0　前言

過電流故障是船舶電氣裝置中的常見故障，由此可能導(dǎo)致全船失電，船舶失去操縱能力，直至發(fā)生船舶碰撞甚至引發(fā)火災(zāi)的嚴(yán)重后果［1］。自2001年起，中國船級(jí)社（CCS）在其出版的《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》中，就提到對(duì)電力系統(tǒng)的過電流故障實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)的要求，并且對(duì)于可并聯(lián)連接的發(fā)電機(jī)總?cè)萘看笥?50 kVA的船舶，要求送審“保護(hù)電器協(xié)調(diào)動(dòng)作分析書”［2］。但是由于一直沒有相關(guān)的執(zhí)行準(zhǔn)則，因而在審查上并不嚴(yán)格。

自2007年始，CCS頒布了 《船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護(hù)指南》，明確了船舶電力系統(tǒng)必須采用選擇性保護(hù)的設(shè)計(jì)要求及其實(shí)現(xiàn)方法。該《指南》實(shí)施幾年來，電力系統(tǒng)的安全性得到了進(jìn)一步提升，不過在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)有部分設(shè)計(jì)人員在理解選擇性保護(hù)方面存在誤區(qū)。

筆者曾參與GB/T 7357-2010《船舶電氣設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)保護(hù)》的編寫，并參與了《船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護(hù)指南》中實(shí)例的編寫，在選擇性保護(hù)的設(shè)計(jì)實(shí)踐方面有一些心得和體會(huì)，希望通過此文與大家共同分享。

1　概念誤區(qū)

1.1完全選擇性與部分選擇性概念混淆

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第四篇中的定義，完全選擇性系指有兩個(gè)或兩個(gè)以上過電流保護(hù)電器串聯(lián)的電路中，當(dāng)發(fā)生過電流故障時(shí)，只是最接近故障點(diǎn)的保護(hù)電器起保護(hù)作用，而不會(huì)導(dǎo)致其他保護(hù)電器動(dòng)作的過電流選擇性保護(hù)；部分選擇性保護(hù)系指在有兩個(gè)或兩個(gè)以上過電流保護(hù)電器串聯(lián)的電路中，當(dāng)發(fā)生過電流故障時(shí)，只是在一定的短路電流范圍內(nèi)，才能做到最接近故障點(diǎn)的保護(hù)電器起保護(hù)作用，而不會(huì)導(dǎo)致其他保護(hù)電器動(dòng)作的過電流選擇性保護(hù)。

而在實(shí)際的應(yīng)用中，容易將這兩個(gè)概念混淆。以主應(yīng)饋電開關(guān)與AC 380 V應(yīng)急負(fù)載開關(guān)之間的選擇性保護(hù)為例。根據(jù)規(guī)范要求，主應(yīng)饋電開關(guān)與AC 380 V應(yīng)急負(fù)載開關(guān)之間應(yīng)滿足選擇性保護(hù)的要求。如圖1所示為某廠家提供的主應(yīng)饋電開關(guān)與AC 380 V應(yīng)急負(fù)載開關(guān)的時(shí)間電流曲線。由曲線可知，當(dāng)AC 380 V應(yīng)急負(fù)載開關(guān)出口的后端發(fā)生短路時(shí)，若短路電流不超過36 kA，則兩個(gè)斷路器之間能夠保證是AC 380 V應(yīng)急負(fù)載開關(guān)，從而滿足選擇性的要求。但在短路電流超過36 kA時(shí)，無法保證AC 380 V應(yīng)急負(fù)載開關(guān)優(yōu)先于主應(yīng)饋電開關(guān)動(dòng)作。這實(shí)際上是部分選擇性保護(hù)，但是廠家卻誤認(rèn)為是滿足的完全選擇性要求。根據(jù)該項(xiàng)目的短路電流計(jì)算，在AC 380 V應(yīng)急負(fù)載開關(guān)出口處的短路電流小于36 kA，因而兩個(gè)斷路器開關(guān)之間能夠滿足選擇性保護(hù)要求，但定義為完全選擇性顯然是不合適的。

圖1　主應(yīng)饋電開關(guān)與AC 380 V應(yīng)急負(fù)載開關(guān)的時(shí)間電流曲線

事實(shí)上，常用塑殼斷路器產(chǎn)品，其三段式保護(hù)中的瞬動(dòng)保護(hù)段是不能取消的，因而當(dāng)下一級(jí)斷路器所保護(hù)的線路上的短路電流超過一定數(shù)值后（如圖1所示的36 kA），就很難通過三段式保護(hù)來實(shí)現(xiàn)完全選擇性保護(hù)。但由于斷路器自身的限流特性，通常負(fù)載側(cè)的斷路器脫扣所需能量低于電源側(cè)斷路器完全分閘所需的能量值，因而依靠斷路器的能量脫扣的選擇性，實(shí)際上是能夠?qū)崿F(xiàn)上下級(jí)斷路器之間的完全選擇性的。

圖2給出的是ABB公司Tmax系列塑殼斷路器與S系列微型斷路器的選擇性配合示例。從圖2可以看出，當(dāng)電源側(cè)塑殼斷路器的脫扣器額定電流不小于160 A而負(fù)載側(cè)微型斷路器的脫扣器額定電流不大于63 A時(shí)，上下級(jí)之間可以實(shí)現(xiàn)完全選擇性，這種選擇性便是通過能量脫扣來實(shí)現(xiàn)的。而當(dāng)電源側(cè)塑殼斷路器的脫扣器額定電流小于160 A時(shí)，上下級(jí)之間便只能是在給定的短路電流值的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)部分選擇性。

圖2　MCCB與MCB選擇性配合表

1.2重要設(shè)備的供電線路才需要考慮選擇性

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第四篇第2.4.7：除另有明文規(guī)定者外，主重要設(shè)備應(yīng)直接由主配電板或應(yīng)急配電板（要求應(yīng)急電源供電者）供電，但如其獲得完全選擇性保護(hù)則可例外。根據(jù)該條要求，在設(shè)計(jì)過程中，我們均盡可能的將主重要設(shè)備由配電板直接供電。如采用區(qū)域分配電箱供電時(shí)，應(yīng)考慮其完全選擇性。

這里實(shí)際上會(huì)造成兩個(gè)概念上的誤區(qū)。第一個(gè)誤區(qū)是使設(shè)計(jì)人員認(rèn)為主重要設(shè)備供電線路必須做到完全選擇性；第二個(gè)誤區(qū)是使設(shè)計(jì)人員認(rèn)為只有主重要設(shè)備才需要滿足選擇性要求，而對(duì)一般設(shè)備的供電線路則不需考慮。

上述第一個(gè)誤區(qū)如前1.1節(jié)分析，是混淆了完全選擇性和部分選擇性的概念。其實(shí)規(guī)范的這條規(guī)定是為了滿足電力系統(tǒng)保護(hù)的一般要求，即各保護(hù)電器的性能及其布置應(yīng)能提供完善協(xié)調(diào)的自動(dòng)保護(hù)，以保證在某處發(fā)生故障的情況下，通過保護(hù)電器的選擇性作用確保無故障重要設(shè)備電路的供電連續(xù)性［3］。歸根結(jié)底，規(guī)范在這里強(qiáng)調(diào)的是主重要設(shè)備的供電連續(xù)性。

如圖3所示，對(duì)于供電連續(xù)性而言，在故障期間，線路③的供電不受線路②故障的影響，在整個(gè)故障過程中始終保持連續(xù)供電狀態(tài)。而對(duì)于運(yùn)行連續(xù)性而言，在故障期間，線路③可以短時(shí)斷電，待線路②故障切除后再對(duì)線路③恢復(fù)供電。如果線路①和線路②上的保護(hù)電器不能滿足選擇性要求，則線路③只能保證運(yùn)行連續(xù)性而無法保證供電連續(xù)性，因而無法滿足規(guī)范的要求。而如前1.1節(jié)分析，為實(shí)現(xiàn)供電線路的供電連續(xù)性，完全選擇性和部分選擇性的效果是沒有任何區(qū)別的。所以對(duì)誤區(qū)一的正確理解是只需確保電力系統(tǒng)滿足選擇性要求即可，而并不需要一定是完全選擇性。

圖3　供電連續(xù)性和運(yùn)行連續(xù)性

對(duì)于所造成的第二個(gè)誤區(qū)，也可從圖3中可以看出，假設(shè)線路③為主重要設(shè)備供電線路，線路②為非重要設(shè)備供電線路。若僅線路③與線路①的保護(hù)電器滿足選擇性要求，而線路②與線路①不考慮選擇性要求，在線路②上發(fā)生故障時(shí)，可能線路①中保護(hù)電器動(dòng)作，從而影響主重要設(shè)備所在的線路③的供電連續(xù)性。因此，選擇性保護(hù)的要求應(yīng)不僅限于主重要設(shè)備的供電。

2　設(shè)計(jì)誤區(qū)

2.1斷路器的脫扣器額定值選擇

在選定脫扣器的額定值時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)很自然地考慮脫扣器選定的額定值是否能夠?qū)€路進(jìn)行過載保護(hù)，即脫扣器的額定值不超過其保護(hù)線路電纜的載流量。而對(duì)于線路的短路保護(hù)，在設(shè)計(jì)初期由于未進(jìn)行短路電流的計(jì)算，對(duì)于各級(jí)線路的短路電流值沒有系統(tǒng)的掌控，因而往往考慮不周。如照明分電箱或航行燈信號(hào)燈控制板中的斷路器，在設(shè)計(jì)過程中基本都整定在15 A或16 A。其實(shí)對(duì)于這類照明線路的末端，往往短路電流較小，當(dāng)斷路器整定在15 A或16 A時(shí)，斷路器對(duì)線路的短路故障根本起不到保護(hù)作用，這就是造成《船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護(hù)指南詳細(xì)編寫說明》中提到的航行燈供電電纜燒毀的原因。

解決以上問題最合理的做法是：對(duì)于負(fù)載已經(jīng)確定的線路，其保護(hù)電器的選定應(yīng)按照其負(fù)載的額定電流來選定，而不是僅僅考慮線路電纜的載流量。例如以《船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護(hù)指南詳細(xì)編寫說明》中提到的例子，在有10個(gè)點(diǎn)位的AC 220 V照明線路中，每個(gè)燈點(diǎn)功率以52 W計(jì)，其額定電流約為2.4 A，應(yīng)按照2.4 A來選擇脫扣器。當(dāng)選用施耐德C65型微型斷路器，額定值選3 A時(shí)，其瞬動(dòng)保護(hù)動(dòng)作值為22.5 A。即使在兩相短路時(shí)，斷路器也能夠可靠動(dòng)作。

2.2變壓器兩側(cè)的斷路器時(shí)間電流曲線未經(jīng)折算

在廠家提交的《保護(hù)電器協(xié)調(diào)性動(dòng)作分析報(bào)告》中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)如圖4所示的兩根時(shí)間-電流曲線出現(xiàn)在一張圖內(nèi)。而應(yīng)急變壓器斷路器為AC 380 V，AC 220 V應(yīng)急負(fù)載為AC 220 V，這兩根時(shí)間-電流曲線所代表的斷路器分處兩個(gè)不同的電壓等級(jí)上，直接表示在一個(gè)時(shí)間-電流的坐標(biāo)系中是不合理的，應(yīng)對(duì)其中一個(gè)斷路器的相關(guān)電流值進(jìn)行折算。在圖4的例子中，當(dāng)AC 220 V應(yīng)急負(fù)載斷路器的相關(guān)電流值經(jīng)折算后繪制到該圖上后會(huì)發(fā)現(xiàn)，上下級(jí)之間無法滿足選擇性的要求，因而要引起重視。

圖4　應(yīng)急變壓器原邊斷路器與AC 220 V應(yīng)急負(fù)載斷路器協(xié)調(diào)動(dòng)作的時(shí)間-電流特性圖

2.3過載保護(hù)的設(shè)定值和動(dòng)作值混淆

在對(duì)斷路器的過載保護(hù)進(jìn)行整定時(shí)，有些設(shè)計(jì)人員會(huì)把過載保護(hù)的整定值和動(dòng)作值混淆。例如《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》建議發(fā)電機(jī)主開關(guān)在發(fā)電機(jī)過載10%～50%時(shí)，經(jīng)少于2 min的延時(shí)分?jǐn)?，并建議斷路器整定在發(fā)電機(jī)額定電流的125%～135%，延時(shí)時(shí)間15 s～30 s。這使得設(shè)計(jì)人員在整定發(fā)電機(jī)主開關(guān)的長延時(shí)時(shí)，往往按此原則整定。

目前斷路器長延時(shí)保護(hù)基本采用反時(shí)限過流保護(hù)，典型的反時(shí)限特性曲線圖如圖5所示［4］。采用反時(shí)限原理進(jìn)行保護(hù)的電器，通過的電流越大，保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間越短，當(dāng)通過的電流不超過保護(hù)的起動(dòng)電流時(shí)，保護(hù)電器會(huì)長期穩(wěn)定運(yùn)行而不動(dòng)作。

圖5　反時(shí)限特性曲線圖

由于反時(shí)限的長延時(shí)保護(hù)不是在確定的時(shí)間動(dòng)作，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，斷路器長延時(shí)的設(shè)定是通過確定斷路器長延時(shí)起動(dòng)電流及6倍起動(dòng)電流時(shí)的動(dòng)作時(shí)間，以便確定其工作特性。從上述分析中可以看出，若按照規(guī)范所建議的生搬硬套來整定的話，斷路器的長延時(shí)段對(duì)發(fā)電機(jī)已經(jīng)起不到保護(hù)作用。通常做法是將長延時(shí)起動(dòng)電流整定在發(fā)電機(jī)的額定電流附近，然后選取合適的6倍起動(dòng)電流時(shí)的動(dòng)作時(shí)間，確保發(fā)電機(jī)主開關(guān)在流經(jīng)電流為額定電流的125%～135%范圍內(nèi)時(shí)，能在延時(shí)時(shí)間15～30 s內(nèi)動(dòng)作。

3　結(jié)語

船舶電力系統(tǒng)的選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)是在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行甚至整個(gè)船舶的安全都有著至關(guān)重要的作用。特別是隨著電力推進(jìn)在各類船舶上得到更多的應(yīng)用，船舶電力系統(tǒng)將變得越來越龐大，因而安全性的要求也將越來越高。作為船舶電氣的設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該對(duì)其有足夠的重視。選擇性保護(hù)涉及到的內(nèi)容還有很多，本文僅針對(duì)設(shè)計(jì)過程中遇到的幾個(gè)容易引起誤解的地方進(jìn)行了分析，希望能對(duì)設(shè)計(jì)人員起到一定的啟發(fā)作用。

［1］中國船級(jí)社.船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護(hù)指南詳細(xì)編寫說明［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范——第4分冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［3］中國船級(jí)社.船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護(hù)指南［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［4］嚴(yán)支斌，等.新型微機(jī)反時(shí)限過流保護(hù)曲線特性研究［J］.中國高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)第二十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.

Misconceptions Analysis of Discrimination Protection in Ship Electrical System

Wang Zheng-jiaGu Wei-jie

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

Over current discrimination protection design played an important role in ship electrical system's safety performance.However，some designers didn't study it deep enough，there were some confusion in relevant definitions and designs.In order to help designers to have correct understanding of electrical system discrimination protection，this article analyzed some typical cases which had been encountered during design work.These could serve as reference for relevant electrical system design in the future.

total discrimination；partial discrimination；energy-based trip；inverse time-delay protection

U673.37

A

1001-4624（2015）01-0075-04

國家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAG03B02）。

2014-09-03；

2015-03-12

王正甲（1984—），男，工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。顧偉杰（1980—），男，高級(jí)工程師，長期從事船舶電氣設(shè)計(jì)和管理工作。