某型40 m級巡邏艇電力系統選擇性保護設計

王小軍

（海軍裝備部，北京100841）

1 引言

隨著船舶不斷向自動化、多功能化和節能化方向發展，船舶電力系統的供電質量、連續性和可靠性將直接影響船舶的經濟運行和生命力。船舶電氣設備應設有合適的保護裝置，當船舶電力系統在某處發生故障時通過保護裝置的選擇性作用，確保對非故障電路特別是包含重要設備的非故障電路的連續供電，并且通過保護裝置及時切除故障線路，限制故障范圍。

本文以某型40 m級出口巡邏艇為例，通過計算電力系統短路電流進行電力系統選擇性保護分析，對整個電力系統進行保護設計，以有效降低事故的影響，最大限度地保證船舶電站的正常運行，確保船舶航行安全。

2 船舶概述

某型40 m級出口巡邏艇配置2臺128 kW的柴油發電機，交流電力系統采用AC415V、50 Hz,按照中國船級社《水面艦艇入級規范》進行設計。根據規范要求：可并聯連接的發電機總容量大于250 kVA的艦艇，需要對電力系統選擇性協調動作進行分析，保證迅速切除所有短路故障、發生故障時選擇性動作、最大限度地保證供電連續性。該型艇的電力系統選擇性保護設計，需要考慮可并聯發電機之間、主發電機與以下各級之間、主電力和總用變壓器之間、隔離開關與發電機之間的過電流即過載和短路保護協調動作。

3 電力系統簡介

本艇交流電力系統采用AC415V、50 Hz、三相三線，電源配置2臺柴油發電機（DG1和DG2），短路電流最大工況為2臺發電機并網運行，最小工況為1臺發電機運行。

本艇配電系統由主配電板、總用充放電板、機艙充放電板、無線電充放電板、岸電箱、各類分配電箱及駕控臺的配電組件等構成，對全艇AC415 V、AC220 V、DC24 V用電進行控制。

本艇在集控室設主配電板一座，由發電機控制屏、負載屏組成，主配電板內使用的發電機主開關及保護裝置均采用施耐德品牌，其具有電流長延時、短延時、逆功率及欠壓脫扣保護等功能；主配電板與岸電聯鎖，發電機與岸電不能同時供電；主配電板與總用充放電板聯鎖，主電源失電時低壓應急照明自動投入，主配電板具有逆功率保護功能。在發電機并聯運行時，當發電機逆功率大于12.8 kV A時發電機主開關脫扣；主配電板設風油遙切按鈕線路，在火災情況下可切斷風機、油泵線路，主配電板設有自動電站管理系統。

本系統保護設備按短路電流計算結果進行選擇，本系統保護設備協調性分析按電流和時間選擇性原則進行分析，發電機保護采用框架式斷路器+電子脫扣器（長延時、短延時和瞬時保護）。

4 短路電流工況分析

短路是船舶電力系統最常見且造成破壞最嚴重的故障之一。計算短路電流，可以給船舶電力系統制定繼電保護策略、選擇電氣設備、校驗用電設備穩定性和開關分斷能力提供必要的數據，因此準確計算短路電流對船舶電力系統意義重大。船舶電力系統較陸上電力系統容量小，但其短路電流值相對較大，除遠離發電機的區域外，同一故障點在不同工況下的短路電流值是變化的。電力系統各級保護電器處可能出現的最大短路電流和最小短路電流，是進行電力系統保護協調性分析的依據。

本艇在航行工況下，由1臺柴油發電機對電網負載供電：柴油發電機DG1、DG2的額定功率均為160 kVA，電動機和發電機的額定電壓及額定頻率均為AC415 V和50 Hz；變壓器額定功率為50 kV A、額定電壓為415/230 V。

在計算最大短路電流時應計及最大負載工況下所有可能并聯連接于主匯流排的發電機的電動機的短路電流。按照中國船級社《鋼制海船入級規范》電力系統的短路電流計算的要求，本艇在航行中出現最大短路電流工況時各處的短路電流計算結果見表1；最小短路電流工況時各處的短路電流計算結果見表2。

表1 最大短路電流計算結果

表2 最小短路電流計算結果

在各工況短路電流計算的基礎上，進行選擇性保護設計，以保證對重要設備的供電連續性及可靠性。因此，對于本艇部分斷路器選型結果，如表3所示。

表3 部分斷路器選型結果

5 具有代表性的選擇性保護元件的選型和整定

依據最大及最小短路電流計算結果進行選擇性保護分析，再根據發電機端短路電流衰減曲線、各保護元件的時間電流特性曲線來確定各保護元件的選型和整定。

5.1 發電機之間及以下各級之間的保護元件的選型和整定

發電機端短路電流衰減曲線，如圖1所示。

圖1 發電機端短路電流衰減曲線

主發電機之間的短路選擇性保護，采用保護發電機斷路器的瞬時保護；主柴油機(DG1和DG2)主斷路器電流瞬時動作值，整定為Ii=4 kA，其值大于發電機端短路電流（Ipg/）的1.2倍，滿足《船舶電力系統過電流選擇性保護指南》的要求，可實現這部分的短路選擇性保護。

主發電機與以下各級之間的短路選擇性保護，發電機長延時保護的電流整定值取發電機額定電流的135%～150%，斷路器在15～30 s之間動作；短延時保護的始動電流整定值，取發電機額定電流的200%～250%，延時時間應小于等于0.4 s。

5.2 主發電機斷路器與船用冷水機組主斷路器的選型與整定

主發電機斷路器與船用冷水機組主斷路器時間電流特性曲線，如圖2所示。

圖2 斷路器時間電流特性曲線

主發電機斷路器與船用冷水機組主斷路器的選型與整定表，如表4所列。

表4 主發電機斷路器與船用冷水機組主斷路器的選型與整定表

表4中A、B對應斷路器均采用了STD保護。主發電機斷路器的INST整定值Ii=4kA，大于發電機端短路電流（Ipg/）的1.2倍；斷路器短延時設定動作的最大可返回時間為350 ms（設定為0.4 s時）、最大全分斷時間為70 ms（設定為0.02 s時）；上一級斷路器的可返回時間大于下一級斷路器的最大全分斷時間，故可實現完全選擇性保護。

5.3 主發電機斷路器與消防總用泵主斷路器的選型與整定

主發電機斷路器與日用照明變壓器初級斷路器、廚房分電箱主斷路器、廚房分電箱內最大負載斷路器時間電流特性曲線，如圖3所示。

圖3 斷路器時間電流特性曲線

主發電機斷路器與日用照明變壓器初級斷路器、廚房分電箱主斷路器、廚房分電箱內最大負載斷路器的選型與整定表，如表5所列。

表5 主發電機與日用照明變壓器、廚房分電箱斷路器選型與整定表

表5中A、B對應斷路器均采用了STD保護。斷路器短延時設定動作的最大可返回時間為350 ms（設定為0.4 s時）、最大全分斷時間為220 ms （設定為0.2 s時）；上一級斷路器的可返回時間大于下一級斷路器的最大全分斷時間，故可以實現完全選擇性保護；日用照明變壓器初級斷路器瞬動設定Ii=2.4 kA，大于副邊短路電流峰值折算至原邊的值（Ii=1.2*（230/415）*Ip230 V/=1.53 kA），滿足選擇性保護要求，即上級斷路器B:NSX160F Micrologic 5.2A和下級斷路器C:iC65N D50在短路時可以滿足下級斷路器優先脫扣，故B、C對應斷路器可以實現完全選擇性保護。由圖1至圖3按時間-電流選擇性原則，在發生相同過載、短路電流時，下一級斷路器優先于上一級斷路器動作，故本曲線所分析保護元件符合完全選擇性要求.綜合表1至表5和圖1至圖3的曲線以及相關備注說明可知，本艇所選用保護元件符合完全選擇性的要求。

6 結束語

過電流故障對船舶電力系統有很大的危害，由此可能會引發電氣事故甚至發生火災，危及船舶及人身安全。本文通過對船舶交流系統過電流選擇性保護的設計，校驗了斷路器及參數整定的合理性，為船舶電力系統的設計提供了可靠的依據。