船舶電力管理過程中的電力系統保護問題研究

牛 偉

（上海瑞寧航運有限公司，中國 上海200080）

0 引言

船舶電力系統與陸上電力系統相比較，有其不同的特點，所以其保護也有自身的特點。 如船舶電站容量小，大電動機起動對電網影響大，相應對保護提出的要求高。

1 船舶同步發電機的保護

1.1 短路和過載保護

對于發電機組來說，所選配的原動機通常己具備一定數值的功率裕量。 原動機的輸出功率足以超過發電機可能出現的功率過載，因此一般情況下無須設置功率過載保護。 除非原動機的功率裕量很小，且本身過載能力極低的情況下才考慮設置功率過載保護。但這種情況是極少遇見的。發電機短路和過載都是以電流超過正常允許數值的形式表現出來的一種不正常狀態，要求進行可靠的保護。 由于發電機本身具有一定的過載能力，因此，為了保證發電機盡可能地連續供電，在允許的過載范圍內(電流大小和時間長短)保護裝置不必動作，而只需及時發出聲光信號提醒值班人員注意。只有當發電機過載值超出了它的允許范圍并直接危及絕緣性能的時候，保護電器才會動作，將發電機切離電網。 短路實際上可以看作一種嚴重的過載，所不同的是短路會使發電機的電流在非常短的時間內上升到不可允許的數值(4-10 倍正常電流)，它不但會使繞組發熱危及絕緣，嚴重時還會使繞組迅速燒毀和松脫。 因此對短路保護則要求其動作更為迅速和絕對的可靠。

1.2 船舶同步發電機的逆功率保護

當同步發電機在非同步條件下并車或幾臺同步發電機并聯運行時，若其中一臺發電機的原動機發生故障時都可能出現逆功率。 發電機不但不輸出有功功率，反而從電網吸收有功功率，使同步發電機變為同步電動機的運行狀態。 逆功率不僅對原動機造成較大損壞(轉軸矩方向突變)，同時還會影響電力系統穩定甚至造成全船停電的危險。因此需裝設逆功率保護裝置，以將逆功率的發電機從電網上切除。

由于船舶發電機組的慣量較小，正常并車時在較短的時間內就可以拉入同步，所產生的整步電流沖擊是短暫的，因此用延時動作躲過投入時的逆功率狀態是非常必要的， 并且延時最好具有反時限特性(逆功率10%Pe 時，延時10s；逆功率50%Pe 時，延時減至1s；逆功率100%Pe 時，無延時而瞬時動作)。

1.3 發電機的欠壓保護

欠壓保護通常由空氣斷路器中的失壓脫扣器來實現，通過電容放電得到需要的延時。要注意欠電壓保護與發電機短路延時保護動作的協調。 當在主配電板附近發生短路故障時，將會出現很大的瞬時電壓降，這時應由短路保護動作，而欠壓保護應延時躲過這段時間。發電機短路保護的短延時時間通常在0.6s 以下，所以，欠壓保護的動作延時應大于0.6s。

2 船舶電網的保護

2.1 電纜保護

電纜有過載保護和短路保護兩種。電纜通?？刹辉O專用的過載保護。

電纜的短路保護問題，主要是根據計算短路電流校驗電纜的承受能力。因各設備己有短路保護，因此，與設備相連的電纜與設備的短路保護共用一套保護裝置。但由于在主配電板到分配電板之間的線路存在短路的可能性，則要設置短路保護裝置。 通常采用裝置式斷路器。

從發電機到主配電板，再到分配電板，直到用電設備共設有三級短路保護，為了保證系統供電的可靠性，這三級短路保護的選擇性配合尤為重要，通常遵循兩種保護整定原則:時間原則和電流原則，并混合使用上述兩種原則。

隨著船舶大型化和自動化，船舶電站容量也隨之增大，這意味著船舶電力系統發生短路時的短路電流也增大，進而要求系統的保護裝置的切斷容量要增大。 有時這會給保護設計帶來困難，使電力系統的經濟性受到影響。 為此，出現了后備切斷的保護方式。

2.2 變壓器保護

我國規范要求對電力與照明變壓器設短路保護和過載保護，過載保護也可設在變壓器副邊。 并聯運行的變壓器副邊應設有隔離措施。為了防止變壓器故障擴大， 保護動作應同時切斷變壓器原邊和副邊。通常采用瞬時脫扣的裝置式斷路器來實現變壓器的短路保護。若用該斷路器兼作過載保護的話，還應長延時脫扣器，但對于變壓器來說，這兩種脫扣器的保護整定很難配合好，所以通常由過電流繼電器等其他繼電器來實現過載保護。

由于變壓器具有大電感，在通斷狀態變化時會產生暫態沖擊勵磁電流，而這種情況下保護不應動作，即瞬時短路保護的脫扣器動作整定植應大于變壓器沖擊勵磁電流(換算為有效值)。 變壓器的沖擊勵磁電流大小與其容量有關。 對于10-200kvA 容量的變壓器，沖擊勵磁電流在第一周期的峰值對變壓器額定電流峰值的倍數約在35-10 的范圍內，衰減時間常數為3-10 個周期。 當校驗不合格時，應改選額定電流大的斷路器。

2.3 岸電保護

船舶?？看a頭時，可接岸電向船上負載供電，以延長船舶發電機的使用時間。但要確認船舶發電機已與船舶電網分離并且岸電接入時與船舶電網的相序一致。船舶發電機與船舶電網分離后接岸電由發電機開關與岸電開關的聯鎖來保證。船舶電網與岸電的接口部分的岸電箱上有相序指示燈指示兩者相序關系是否正確。

2.4 三相絕緣系統的絕緣檢測

船舶電網和電氣設備絕緣性能降低或損壞會造成漏電， 是觸電、火災及電氣設備等事故的重要原因。對于油輪和運載可燃性氣體或化學物品的船舶來說，電氣絕緣更需要嚴格地監測。

由于船舶電網幾乎總是帶電的，因此不能采用普通的搖表來測量電網對地的絕緣程度。 通常有以下幾種方法:指示燈法、兆歐表法、電網絕緣檢測儀。

2.5 主發電機、應急發電機及岸電間的聯鎖

主發電機、應急電機和岸電這三種電源不允許同時供電，而且主發電機具有最高供電優先權。 當主發電機向匯流排供電時，其主開關閉合，通過主開關的常閉輔助觸點串入應急發電機開關失壓脫扣線圈回路，確保應急發電機不能與應急匯流排相連。另外，主配電板向應急配電板饋電的開關處也有類似的聯鎖，形成雙重保險。 當應急發電機正在供電時，一旦主發電機通過主開關接入電網，可馬上使應急發電機開關分斷。 也就是說，應急發電機只有在主電站停止供電的狀態下，才有可能供電。 主發電機與岸電之間也有類似的聯鎖關系。

3 船舶負載的保護

3.1 照明類負載的保護

照明類負載包括電熱器負載等。 照明類負載基本上是電阻性負載，功率因數為1 或近于1，其保護比較簡單，可以用裝置式斷路器實現過載和短路保護。

3.2 電動機負載的保護

電動機負載是船舶電力系統的主要負載， 且很多屬重要負載，因此對其保護的要求較明確。規范規定容量大于0.5kw 電動機和所有重要設備電動機均應設有獨立的過載保護、短路保護和欠壓保護。 當采用融斷器作保護時，還應設防止單相運轉的保護，即缺相保護。

舵機電動機不設過載保護，但有過載報警。 這是考慮在緊急情況下，以局部犧牲來換取全船的航行安全。

電動機與其專用的饋電電纜可以共用一個短路保護。

當電動機過載保護特性(時間-電流特性)與電動機起動周期不適應時，允許電動機起動過程期間過載保護暫時失效。

連續工作制的電動機的保護電器， 應保證電動機在過載情況下，有可靠的熱保護的延時特性，其最大持續電流不應超過被保護電流電動機額定電流的125%。

4 結束語

總之， 保護通常是以中斷部分或全系統的供電的方式實現的，這對船舶系統的工作會產生不利的影響， 因此設置保護要權衡利弊，電氣系統的保護應服從于船舶的全局需要。當中斷供電將會影響船舶航行安全或產生嚴重后果時，保護電氣設備安全就應讓位于保護船舶安全，如舵機電動機只設有短路保護而不設過載保護(設過載報警)。

［1］唐泳洪.系統可靠性、故障診斷及容錯[M].重慶:重慶大學出版社,1990.

［2］稅正中,施懷瑾.電力系統繼電保護[M].重慶:重慶大學出版社,1997.

［3］董振亞.電力系統的過電壓保護[M].北京:中國電力出版社,1997.