趙 騰

山東軌道交通勘察設計院有限公司

1 基本運行工況

某海工船配有動力定位系統(tǒng)，配有兩臺艉側推，每臺側推電機功率為500kW（440V），由軟啟動器啟動。動力定位工況時，主要由三臺相同型號柴油發(fā)電機組為側推電機供電，其中每臺發(fā)電機功率為550kW（688kVA∕450V∕60Hz）。每臺側推電機啟動時，要求至少有兩臺發(fā)電機在線并車運行，啟動后正常運行時，母聯(lián)斷開，發(fā)電機解列，每一臺側推電機只由一臺發(fā)電機提供電源，兩個側推電機不可同時啟動。

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

圖1 艉側推供電系統(tǒng)單線圖

2 初選斷路器及脫扣器

根據(jù)短路電流計算，440V母排短路最大運行方式時短路電流（RMS）為29.08kA，最小運行方式時為5.22kA。為保證精確的上下級配合，側推電機采用帶三段式保護的電子脫口器的斷路器（ABB E1N1250 PR121P In=1250A，Icu=65kA），而位于上級的發(fā)電機斷路器采用可調間隔更小的三段式電子脫扣器（ABB E1N1250 PR123P In=1250A，Icu=65kA），以實現(xiàn)更精準的整定。

3 斷路器整定計算及配合分析

3.1 側推電機啟動時的上下級配合關系

側推啟動時兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行，并聯(lián)發(fā)電機通過調速器和自動電壓調節(jié)裝置可以平均分配負荷，在校驗配合關系時可將發(fā)電機斷路器等效為一個斷路器，其整定值近似為每個斷路器的兩倍，整定時間不變。等效發(fā)電機斷路器的整定值如表1 所示，根據(jù)校驗配合系數(shù)可容易看出上下級配合校驗通過。

3.2 側推電機正常運行時的上下級配合關系

側推電機啟動后正常運行時，母聯(lián)斷開，發(fā)電機解列，由一臺發(fā)電機供電。發(fā)電機與側推電機斷路器初設整定值比較見表1。

表1 上下級斷路器配合關系校驗

由上面表格分析可以看出在發(fā)電機分列運行工況時，長延時通過調整上下級定值，配合系數(shù)可勉強滿足要求，而短延時Iset2 整定值不滿足上下級配合要求，通過圖2 兩個斷路器的時間-電流曲線也可以看出，短延時階段有重合。

對于短延時有兩種調整方式可以實現(xiàn)上下級斷路器的配合關系，一個是增大發(fā)電機斷路器的短延時整定值，另一種方式是減小側推電機斷路器的整定值。由于發(fā)電機斷路器短延時必須要在最小短路情況下保證動作，現(xiàn)已調為最大，已沒有調整余地，我們把目標放在側推電機斷路器上。側推電機斷路器短延時要躲過電機啟動電流，表中數(shù)據(jù)已按最小4倍啟動電流整定，也已是最小，故無法再增大配合系數(shù)，所以僅利用斷路器脫扣器無法滿足配合關系的要求。考慮到側推電機斷路器短延時主要用于電機啟動過程中的電機和線路保護，而在電機正常運行后，不需要考慮電機的最大啟動電流的影響，為實現(xiàn)與上級斷路器的配合，可將在電機啟動完成后將短延時調小。這就需要設置兩套定值，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作為整定值切換裝置，直觀來說就是通過改變下級斷路器電流-時間曲線來實現(xiàn)上下級配合。

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

為滿足上下級配合，電流繼電器的短延時應滿足下式（配合系數(shù)取1.3）：

本項目中取1800A，0.25s。

為提高過載保護的可靠性，本項目中實際也啟用了電流繼電器的過載保護功能，其整定值設為1000A，30s(定時限)。與側推電機斷路器長延時作為電機過電流雙重保護（互為后備保護）。加了過流繼電器后的電機實際保護曲線為兩條曲線逐點比較的小值，上下級斷路器及電流繼電器的時間-電流曲線及等效后的時間-電流曲線如圖2所示。通過圖2也可以校驗配合關系滿足要求。

4 電流繼電器工作方式

電流繼電器保護功能的投入和退出，由發(fā)電機和母聯(lián)斷路器的輔助觸點構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保護電機及線路。當側推電機準備啟動時，會向功率管理系統(tǒng)（PMS）發(fā)出重載啟動問詢信號，PMS 控制兩臺發(fā)電機啟動并車，運行穩(wěn)定后，給側推電機軟啟動器發(fā)出啟動命令，同時退出電流繼電器，此時上級為兩臺發(fā)電機斷路器，僅由電機斷路器完成保護功能，可以滿足上下級配合。啟動完成后，操作員發(fā)出命令斷開母聯(lián)，發(fā)電機解列，同時投入電流繼電器，恢復電流繼電器和斷路器同時保護電機及線路，根據(jù)上面整定，也可滿足上下級配合。啟動另一臺側推電機時重復以上過程。

5 總結

通過整定分析過程可以發(fā)現(xiàn)造成上下級配合困難的主要原因，一個是發(fā)電機功率（550kW）與側推電機功率（500kW）接近，造成長延時整定值接近；另一個原因是最小工況下配電板母排短路電流過小（5.22kA），與側推電機啟動電流（3.13kA）接近，再計入可靠系數(shù)和配合系統(tǒng)，造成了上下級短延時配合困難。本項目如果只從電氣專業(yè)角度出發(fā)，加大單臺發(fā)電機容量（如800kW），將三臺發(fā)電機改為兩臺總容量一樣的發(fā)電機，這樣發(fā)電機的斷路器長延時會加大，單臺發(fā)電機運行的最小工況下的最小短路電流也會加大，斷路器短延時整定值也會隨之增大，與電機斷路器上下級各個整定值間配合系數(shù)自然就會變大，在保護配合上會更簡單一些。另外，如果本項目中，單臺發(fā)電機只用于驅動側推電機，沒有其他負載，故障時斷路器可以無選擇性動作，則不必為這兩個斷路器做配合。

進行斷路器上下級配合時，除了利用配合系數(shù)計算，利用廠家提供的應用程序（這個案例中使用的是ABB 公司的Curve Direct軟件），對比兩個甚至更多斷路器的電流-時間曲線來判斷是比較簡便而且直觀的方法，特別是長延時反時限配合時，或是配電級數(shù)較多，或上下級斷路器整定值接近等類似本案例中情況，以及根據(jù)實際情況確實要減少規(guī)定的配合系數(shù)，按經(jīng)驗值或計算不好判斷配合關系時，利用曲線檢查配合是非常行之有效的方法。

這個案例在設計初期技術談判時就意識到可能會出現(xiàn)上下級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。本文中利用時間繼電器的解決方案不失為電氣專業(yè)一種很好的彌補措施，亦可應用在改造項目中。