趙 騰

山東軌道交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司

1 基本運(yùn)行工況

某海工船配有動(dòng)力定位系統(tǒng)，配有兩臺(tái)艉側(cè)推，每臺(tái)側(cè)推電機(jī)功率為500kW（440V），由軟啟動(dòng)器啟動(dòng)。動(dòng)力定位工況時(shí)，主要由三臺(tái)相同型號(hào)柴油發(fā)電機(jī)組為側(cè)推電機(jī)供電，其中每臺(tái)發(fā)電機(jī)功率為550kW（688kVA∕450V∕60Hz）。每臺(tái)側(cè)推電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，要求至少有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)在線并車運(yùn)行，啟動(dòng)后正常運(yùn)行時(shí)，母聯(lián)斷開(kāi)，發(fā)電機(jī)解列，每一臺(tái)側(cè)推電機(jī)只由一臺(tái)發(fā)電機(jī)提供電源，兩個(gè)側(cè)推電機(jī)不可同時(shí)啟動(dòng)。

動(dòng)力定位工況時(shí)，艉側(cè)推供電子系統(tǒng)單線圖如圖1所示，每臺(tái)發(fā)電機(jī)（DG1∕2∕3）和側(cè)推電機(jī)（ST1∕2）配有各自斷路器，每臺(tái)發(fā)電機(jī)為各自母排供電，各個(gè)母排通過(guò)母聯(lián)斷路器連接，兩臺(tái)側(cè)推電機(jī)連在母排BUS A 和BUS C 上（分別由DG2 和DG3 供電），這兩個(gè)母排除了為側(cè)推電機(jī)供電，還為其他小容量輔助設(shè)備提供電源，中間發(fā)電機(jī)DG1主要用于與DG2∕3并車啟動(dòng)側(cè)推電機(jī)，在電機(jī)啟動(dòng)后解列，為其他大功率設(shè)備供電。

圖1 艉側(cè)推供電系統(tǒng)單線圖

2 初選斷路器及脫扣器

根據(jù)短路電流計(jì)算，440V母排短路最大運(yùn)行方式時(shí)短路電流（RMS）為29.08kA，最小運(yùn)行方式時(shí)為5.22kA。為保證精確的上下級(jí)配合，側(cè)推電機(jī)采用帶三段式保護(hù)的電子脫口器的斷路器（ABB E1N1250 PR121P In=1250A，Icu=65kA），而位于上級(jí)的發(fā)電機(jī)斷路器采用可調(diào)間隔更小的三段式電子脫扣器（ABB E1N1250 PR123P In=1250A，Icu=65kA），以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的整定。

3 斷路器整定計(jì)算及配合分析

3.1 側(cè)推電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的上下級(jí)配合關(guān)系

側(cè)推啟動(dòng)時(shí)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，并聯(lián)發(fā)電機(jī)通過(guò)調(diào)速器和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置可以平均分配負(fù)荷，在校驗(yàn)配合關(guān)系時(shí)可將發(fā)電機(jī)斷路器等效為一個(gè)斷路器，其整定值近似為每個(gè)斷路器的兩倍，整定時(shí)間不變。等效發(fā)電機(jī)斷路器的整定值如表1 所示，根據(jù)校驗(yàn)配合系數(shù)可容易看出上下級(jí)配合校驗(yàn)通過(guò)。

3.2 側(cè)推電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的上下級(jí)配合關(guān)系

側(cè)推電機(jī)啟動(dòng)后正常運(yùn)行時(shí)，母聯(lián)斷開(kāi)，發(fā)電機(jī)解列，由一臺(tái)發(fā)電機(jī)供電。發(fā)電機(jī)與側(cè)推電機(jī)斷路器初設(shè)整定值比較見(jiàn)表1。

表1 上下級(jí)斷路器配合關(guān)系校驗(yàn)

由上面表格分析可以看出在發(fā)電機(jī)分列運(yùn)行工況時(shí)，長(zhǎng)延時(shí)通過(guò)調(diào)整上下級(jí)定值，配合系數(shù)可勉強(qiáng)滿足要求，而短延時(shí)Iset2 整定值不滿足上下級(jí)配合要求，通過(guò)圖2 兩個(gè)斷路器的時(shí)間-電流曲線也可以看出，短延時(shí)階段有重合。

對(duì)于短延時(shí)有兩種調(diào)整方式可以實(shí)現(xiàn)上下級(jí)斷路器的配合關(guān)系，一個(gè)是增大發(fā)電機(jī)斷路器的短延時(shí)整定值，另一種方式是減小側(cè)推電機(jī)斷路器的整定值。由于發(fā)電機(jī)斷路器短延時(shí)必須要在最小短路情況下保證動(dòng)作，現(xiàn)已調(diào)為最大，已沒(méi)有調(diào)整余地，我們把目標(biāo)放在側(cè)推電機(jī)斷路器上。側(cè)推電機(jī)斷路器短延時(shí)要躲過(guò)電機(jī)啟動(dòng)電流，表中數(shù)據(jù)已按最小4倍啟動(dòng)電流整定，也已是最小，故無(wú)法再增大配合系數(shù)，所以僅利用斷路器脫扣器無(wú)法滿足配合關(guān)系的要求?？紤]到側(cè)推電機(jī)斷路器短延時(shí)主要用于電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的電機(jī)和線路保護(hù)，而在電機(jī)正常運(yùn)行后，不需要考慮電機(jī)的最大啟動(dòng)電流的影響，為實(shí)現(xiàn)與上級(jí)斷路器的配合，可將在電機(jī)啟動(dòng)完成后將短延時(shí)調(diào)小。這就需要設(shè)置兩套定值，但市面上很少有在線切換整定值功能的脫扣器，所以在現(xiàn)有條件下可考慮利用可投退的外加保護(hù)作為整定值切換裝置，直觀來(lái)說(shuō)就是通過(guò)改變下級(jí)斷路器電流-時(shí)間曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)上下級(jí)配合。

在本項(xiàng)目中，我們采用了DEIF公司的RMC-122D的時(shí)間繼電器，該繼電器具有短路和過(guò)電流輸出觸點(diǎn)，短路電流調(diào)整范圍為 1In～4In，0s～1s，過(guò)電流調(diào)整范圍 0.5In～1.5In，0s～120s，配合1000∕5A電流互感器，可實(shí)現(xiàn)斷路器接收外部信號(hào)跳閘。

為滿足上下級(jí)配合，電流繼電器的短延時(shí)應(yīng)滿足下式（配合系數(shù)取1.3）：

本項(xiàng)目中取1800A，0.25s。

為提高過(guò)載保護(hù)的可靠性，本項(xiàng)目中實(shí)際也啟用了電流繼電器的過(guò)載保護(hù)功能，其整定值設(shè)為1000A，30s(定時(shí)限)。與側(cè)推電機(jī)斷路器長(zhǎng)延時(shí)作為電機(jī)過(guò)電流雙重保護(hù)（互為后備保護(hù)）。加了過(guò)流繼電器后的電機(jī)實(shí)際保護(hù)曲線為兩條曲線逐點(diǎn)比較的小值，上下級(jí)斷路器及電流繼電器的時(shí)間-電流曲線及等效后的時(shí)間-電流曲線如圖2所示。通過(guò)圖2也可以校驗(yàn)配合關(guān)系滿足要求。

4 電流繼電器工作方式

電流繼電器保護(hù)功能的投入和退出，由發(fā)電機(jī)和母聯(lián)斷路器的輔助觸點(diǎn)構(gòu)成的電流繼電器電源回路完成。

正常情況下，電流繼電器投入，電流繼電器和斷路器脫扣器同時(shí)保護(hù)電機(jī)及線路。當(dāng)側(cè)推電機(jī)準(zhǔn)備啟動(dòng)時(shí)，會(huì)向功率管理系統(tǒng)（PMS）發(fā)出重載啟動(dòng)問(wèn)詢信號(hào)，PMS 控制兩臺(tái)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)并車，運(yùn)行穩(wěn)定后，給側(cè)推電機(jī)軟啟動(dòng)器發(fā)出啟動(dòng)命令，同時(shí)退出電流繼電器，此時(shí)上級(jí)為兩臺(tái)發(fā)電機(jī)斷路器，僅由電機(jī)斷路器完成保護(hù)功能，可以滿足上下級(jí)配合。啟動(dòng)完成后，操作員發(fā)出命令斷開(kāi)母聯(lián)，發(fā)電機(jī)解列，同時(shí)投入電流繼電器，恢復(fù)電流繼電器和斷路器同時(shí)保護(hù)電機(jī)及線路，根據(jù)上面整定，也可滿足上下級(jí)配合。啟動(dòng)另一臺(tái)側(cè)推電機(jī)時(shí)重復(fù)以上過(guò)程。

5 總結(jié)

通過(guò)整定分析過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)造成上下級(jí)配合困難的主要原因，一個(gè)是發(fā)電機(jī)功率（550kW）與側(cè)推電機(jī)功率（500kW）接近，造成長(zhǎng)延時(shí)整定值接近；另一個(gè)原因是最小工況下配電板母排短路電流過(guò)?。?.22kA），與側(cè)推電機(jī)啟動(dòng)電流（3.13kA）接近，再計(jì)入可靠系數(shù)和配合系統(tǒng)，造成了上下級(jí)短延時(shí)配合困難。本項(xiàng)目如果只從電氣專業(yè)角度出發(fā)，加大單臺(tái)發(fā)電機(jī)容量（如800kW），將三臺(tái)發(fā)電機(jī)改為兩臺(tái)總?cè)萘恳粯拥陌l(fā)電機(jī)，這樣發(fā)電機(jī)的斷路器長(zhǎng)延時(shí)會(huì)加大，單臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的最小工況下的最小短路電流也會(huì)加大，斷路器短延時(shí)整定值也會(huì)隨之增大，與電機(jī)斷路器上下級(jí)各個(gè)整定值間配合系數(shù)自然就會(huì)變大，在保護(hù)配合上會(huì)更簡(jiǎn)單一些。另外，如果本項(xiàng)目中，單臺(tái)發(fā)電機(jī)只用于驅(qū)動(dòng)側(cè)推電機(jī)，沒(méi)有其他負(fù)載，故障時(shí)斷路器可以無(wú)選擇性動(dòng)作，則不必為這兩個(gè)斷路器做配合。

進(jìn)行斷路器上下級(jí)配合時(shí)，除了利用配合系數(shù)計(jì)算，利用廠家提供的應(yīng)用程序（這個(gè)案例中使用的是ABB 公司的Curve Direct軟件），對(duì)比兩個(gè)甚至更多斷路器的電流-時(shí)間曲線來(lái)判斷是比較簡(jiǎn)便而且直觀的方法，特別是長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限配合時(shí)，或是配電級(jí)數(shù)較多，或上下級(jí)斷路器整定值接近等類似本案例中情況，以及根據(jù)實(shí)際情況確實(shí)要減少規(guī)定的配合系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)值或計(jì)算不好判斷配合關(guān)系時(shí)，利用曲線檢查配合是非常行之有效的方法。

這個(gè)案例在設(shè)計(jì)初期技術(shù)談判時(shí)就意識(shí)到可能會(huì)出現(xiàn)上下級(jí)斷路器不好配合的狀況，但考慮到方案整體冗余度，可靠性，負(fù)荷分配，以及船上空間布置等因素，還是采用了這種方案。本文中利用時(shí)間繼電器的解決方案不失為電氣專業(yè)一種很好的彌補(bǔ)措施，亦可應(yīng)用在改造項(xiàng)目中。