多機組船舶供電系統保護方案分析

徐濱海，莫文科，孫曉蔚，王 亮

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

多機組船舶供電系統保護方案分析

徐濱海1，莫文科1，孫曉蔚1，王 亮2

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

船舶電力系統容量的不斷增大使系統中發電機數量增多，分段和聯絡斷路器的電流值都相應增加，從而給系統的保護設計帶來了一定困難。本文以多臺發電機的某船電力系統為例，設計了該船供電系統的保護方案。

船舶供電系統；保護方案；瞬動；長延時；短延時

0 引言

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

1 斷路器保護功能的分析

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

斷路器的長延時保護主要針對本回路過載或非正常運行狀態的限制，防止設備或電纜由于過電流而導致溫度過高而影響使用壽命，其設定主要根據各斷路器所在位置的運行限制確定。斷路器的短延時保護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，防止出現較大的過電流而燒毀設備。利用斷路器短延時動作電流和動作時間可設置的特點，實現有選擇的分區域故障切除，以最大可能實現非故障回路的正常運行。采用的策略是當電網出現故障電流使多個斷路器超過設定值時：1）切斷聯絡斷路器，使并聯電站解列；如果故障發生在聯絡斷路器電纜上，則故障消除，各電站可按照正常的功率需求進行調整并達到穩定；如果故障發生在電站內，則非故障電站可按照正常的功率需求進行調整并達到穩定；2）在故障電站內如果多個斷路器電流超過設定值，則先分斷分段斷路器，使電站內機組解列運行；則無論故障發生在何處，必然只能影響其中一個小區域，其它區域可按照正常的功率需求進行調整并達到穩定；3）在故障區，跳開機組斷路器并停機，實現故障隔離。

斷路器的瞬時動作保護是為了防止出現嚴重的短路故障而設置的保護，是指當脫扣器通過大于其整定的電流值時在 0.2s的機械固有動作時間內迅速分斷。瞬動保護一般不作為系統故障的主要保護手段，因為當瞬時保護能夠動作于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。當發生稍嚴重的電網故障時，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定值，而發生大面積跳閘，導致大范圍失電的情況。這樣的保護設置基本失去選擇性，降低了供電連續性。

如果對分段和聯絡斷路器都設置瞬動保護，則在發生短路時，系統中多個斷路器同時會出現較大的瞬時過電流，從而使系統中該電流流經的斷路器大量跳閘，影響電站或系統的完整性，造成不必要的系統解列。因此，本系統對發電機設置瞬動保護，分段和聯絡斷路器的瞬動保護功能均可取消。

2 保護方案

由于船舶電力系統范圍較小，線路相對較短以及大部分用電設備都集中在機艙和起居室處的特點，系統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，根據保護設計的一般要求，僅對機組斷路器進行瞬時動作設置。只針對機組出線電纜嚴重故障、故障機組與2臺或以上機組并聯且負載足夠大時進行快速定位和動作。

根據艦船電網的特點，船舶電力系統保護的主要范圍包括主干網絡上的所有電纜和發電機組。針對的主要故障為線路2相和3相短路、機組過載和逆功。

1）供電網絡發生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置，實現故障的切除；

2）通過機組、分段和聯絡斷路器斷路器的長延時動作設置，實現過載保護；

3）通過機組、分段和聯絡斷路器斷路器的過載預報警設置，實現機組、母排和聯絡線的過載預警示；

4）通過主配電板控制屏內的逆功率繼電器進行機組逆功保護；

5）此外，發電機和聯絡斷路器斷路器都設置了欠壓保護。

2.1 發電機

發電機過載預報警：運行模式里當單機功率達85%左右，將進行自動增機的操作，一般45 s后完成增機操作，過載預報警作為該操作的后備保護，96%額定電流時會經10 s后報警，讓操作人員進行手動增機等操作。

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

短延時保護：短延時需要考慮大容量電動機的啟動過程產生較大沖擊電流及脫扣器的檢測誤差。按照規定，電流整定值要不大于被保護發電機單機穩態短路電流的80%，延時時間要略大于分段斷路器及電站間聯絡斷路器的延時時間，還需要考慮給負載斷路器留一級的短延時保護檔位。因此短延時時間一般取為發電機斷路器的最大可設定值。按照相關要求[4]，船舶發電機的穩態短路電流一般不低于發電機額定電流的3倍，因此，短延時的整定電流可取2.4(3.0×0.8)倍單機額定電流。

瞬時保護：該保護適用于3機及以上發電機并聯供電的情況下發電機出口短路的情況，其整定值選擇大于 1.2倍發電機機端短路的最大峰值短路電流ipg再除以 2。

逆功保護：借助逆功繼電器實現，柴油機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：低壓機組利用欠壓脫扣器，在 35%～70%額定電壓情況下延時3s～5s動作。

差動保護：為進一步對發電機內部進行保護，防止在小工況的情況無法迅速定位發電機的內部短路故障的情況，在發電機定子內部以及主配電板進線端裝設了差動電流互感器，對發電機內部短路故障進行保護。

2.2 分段母排斷路器

電流長延時保護：根據匯流排的設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的延時時間需要考慮與發電機長延時的配合并考慮脫扣器本身的誤差。在發生過載，通過相同的過電流時，使分段斷路器先分斷，保證故障的隔離。因此，分段斷路器的長延時動作時間應小于發電機的長延時動作時間。

短延時保護：該短延時的電流整定值與聯絡斷路器對應，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斷時間不能大于發電機的最短分斷時間，并且還要給下級（聯絡線或負載）留有設定值。因此，分段斷路器的長延時一般取符合上述要求并離發電機短延時整定值最近的那一檔。

2.3 電站聯絡線

電流長延時保護：為了保護電站間聯絡線并充分利用聯絡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倍的電站間聯絡線的額定電流。聯絡斷路器長延時考核點處對應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。在發生過載，通過相同的過電流時，使聯絡斷路器先分斷，保證故障的隔離，因此，聯絡斷路器的長延時動作時間應小于分段斷路器的長延時動作時間。

短延時保護：該短延時的電流整定值與分段斷路器對應，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斷時間不能上一級（分段斷路器）的最短分斷時間，并且還要給下級（負載）留有設定值。因此，聯絡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

由于船舶電力系統保護設計都是以船舶電源供電為依據，繼而選擇保護裝置整定值，所以對岸電供電時的系統保護協調沒有具體要求。考慮到岸電的容量相當于一臺發電機的額定容量，因此在保護的設置上要參考發電機的設置。

3 系統概述

某船由前后電站通過前后電站的聯絡接線連接而成，每個電站各有3臺400V，1056kW，額定電流1905A的柴油發電機組，系統的總容量達到6336kW。分段和聯絡線最多允許通過4000A的電流。岸電通過右舷的電站間聯絡線接入系統的主電網，發電機和岸電斷路器采用2500A級的斷路器，分段和聯絡斷路器采用4000A級的斷路器。在運行過程中，一個電站可通過聯絡電纜向對面電站供電。

根據上述的系統參數結合保護方案的設置，對圖1所示的系統進行短路計算[4]，根據計算結果可畫出保護配合曲線，如圖2、圖3所示。由圖2可以看出，在單機運行的情況下，發電機進入短延時而分斷但聯絡斷路器還在長延時階段，這是因為隨系統容量的增大，分段和聯絡斷路器允許的通過的電流增大，兩者進入短延時的電流相對于發電機更大。因此，在單機運行的情況下，可能存在保護選擇性不夠的而使發電機主斷路器先動作的情況。但是，如圖3所示，在兩機同側運行時這個問題可避免。

圖1 系統原理圖

圖2 單機保護特性曲線

圖3 兩機保護特性曲線（等效為一臺發電機）

4 結論

根據相關標準對某船的供電系統保護方案進行分析，由于船舶供電系統容量的增大[5]，傳統的斷路器三段式保護在單機運行時存在一定的選擇性盲區，因此在運行時需要進行發電機組合運行方式的優化，但是，這還可能存在保護選擇性不好的區域，因此在船舶上應用差動保護[5]等保護形式變得更必要。

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

[2]中國船級社. 船舶電力系統過電流選擇性保護指南[S]. 上海: 上海規范所, 2006.

[3]GB/T 13032-2010 船用柴油發電機組[S]. 北京: 國家標準化管理委員會, 2010.

[4]GB 3321-1982 船舶交流系統的短路計算[S]. 北京:國家標準化管理委員會, 1995.

[5]王煥文. 船舶電力系統及自動裝置[M]. 北京: 科學出版社, 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設計。