船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)選擇性保護(hù)分析

胡義軍

應(yīng)用研究

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)選擇性保護(hù)分析

胡義軍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文對過電流選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)保護(hù)原理進(jìn)行說明，分析船舶電力系統(tǒng)短路電流的特點(diǎn)，并結(jié)合某工程項(xiàng)目，對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行選擇性保護(hù)配合設(shè)計(jì)，采用仿真軟件對電力推進(jìn)系統(tǒng)選擇性保護(hù)配合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該選擇性保護(hù)分析方法正確可行。

電力推進(jìn)系統(tǒng) 保護(hù)原理 選擇性保護(hù)

0 引言

船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)規(guī)范經(jīng)過了長期的理論與實(shí)踐檢驗(yàn)，并針對船舶的實(shí)際發(fā)展需求不斷的進(jìn)行修訂，具備了良好的可靠性。在船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)的設(shè)計(jì)與研究中，對國內(nèi)外的各種船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)規(guī)范進(jìn)行研究具有重要的意義。

本文對過電流選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)保護(hù)原理進(jìn)行說明，并結(jié)合某工程項(xiàng)目，對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行選擇性保護(hù)配合分析。

1 系統(tǒng)保護(hù)說明

電力系統(tǒng)的過電流選擇性保護(hù)有過載選擇性保護(hù)和短路選擇性保護(hù)之分。由于在船舶電力系統(tǒng)中，除了例如側(cè)向推進(jìn)器等特大負(fù)載，其容量可達(dá)1臺或1臺以上主發(fā)電機(jī)容量，則需有一定措施保證安全供電之外，一般情況下，上級饋電線保護(hù)電器定額均可達(dá)其下一級饋電線保護(hù)電器定額的好幾倍。

按照船規(guī)的要求電氣裝置中應(yīng)設(shè)有合適的保護(hù)電器，以能在發(fā)生包括短路在內(nèi)的過電流和其他電氣故障時對其進(jìn)行保護(hù)。各保護(hù)電器的性能及其布置應(yīng)能提供完善協(xié)調(diào)的自動保護(hù)，以保證在某處發(fā)生故障的情況下，通過保護(hù)電器的選擇性作用確保無故障重要設(shè)備電路的供電連續(xù)性，消除故障的影響，從而減少對系統(tǒng)的損害和發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)。同時在配電系統(tǒng)的每一不接地的極或相上均應(yīng)設(shè)有短路保護(hù)。

2 船舶電力系統(tǒng)短路電流的特點(diǎn)

船舶的尺度是有限的，據(jù)了解目前在世界范圍內(nèi)最大船舶的長度不超過350 m，而且大部分用電設(shè)備集中在機(jī)艙和起居處所。因此，與陸上15 kV及以下電力系統(tǒng)相比，船舶電力系統(tǒng)有系統(tǒng)相對簡單、范圍小和線路短（用電設(shè)備大多緊靠發(fā)電機(jī)）的特點(diǎn)。船舶電力系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是其主電源都由幾臺（一般為3臺）中小容量的發(fā)電機(jī)組組成，供電的發(fā)電機(jī)組臺數(shù)隨船舶工況的不同而有變化?；谝陨锨闆r，決定了船舶電力系統(tǒng)在發(fā)生短路故障情況下所產(chǎn)生的短路電流，與陸上15 kV 及以下電力系統(tǒng)相比有如下三大特點(diǎn)：

1）短路電流值相對較大；2）除遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)的區(qū)域外，同一故障點(diǎn)在不同工況下的短路電流值是變化的；3）上、下級保護(hù)電器所在位置上的短路故障電流值差別不大。

3 系統(tǒng)保護(hù)原理

總的來說，設(shè)定值要盡可能的高，以保證下級曲線可通過。所有的設(shè)備都需要根據(jù)適用規(guī)范和設(shè)備的過載、短路耐受能力來進(jìn)行保護(hù)判定。下面以中壓系統(tǒng)進(jìn)行說明。

1) 發(fā)電機(jī)保護(hù)單元

發(fā)電機(jī)單元保護(hù)器用于保護(hù)發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)電纜，它還作為配電板發(fā)生的短路的后備保護(hù)。

發(fā)電機(jī)的負(fù)載需要通過電站管理系統(tǒng)PMS進(jìn)行控制和監(jiān)測，過載情況發(fā)生時，可由PMS控制降低負(fù)荷或者對負(fù)載執(zhí)行優(yōu)先脫扣，如果此功能沒有執(zhí)行，鑒于發(fā)電機(jī)不能長時間持續(xù)過載，因此發(fā)電機(jī)開關(guān)將要脫扣。

短路保護(hù)將保護(hù)配電板發(fā)生的短路；差動保護(hù)將保護(hù)發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)電纜上發(fā)生的短路。

繼電保護(hù)需要確保在發(fā)電機(jī)的最小穩(wěn)態(tài)短路電流下可脫扣。發(fā)電機(jī)開關(guān)三相短路保護(hù)應(yīng)在1秒內(nèi)被分?jǐn)?，母?lián)開關(guān)短路保護(hù)應(yīng)在發(fā)電機(jī)開關(guān)之前動作。

差動保護(hù)裝置是檢測主發(fā)電機(jī)和主配電板開關(guān)之間線路是否短路或者有接地現(xiàn)象的一種保護(hù)裝置，主要原理是將發(fā)電機(jī)側(cè)的所檢測的二次電流和配電板側(cè)二次檢測電流的矢量差引入差動保護(hù)裝置，保護(hù)范圍為定子繞組和引出線，發(fā)電機(jī)的主要保護(hù)是差動保護(hù)，一般用于匝間和相間的快速分?jǐn)?；其幅值或相角超過預(yù)設(shè)值后，保護(hù)立刻動作，差動保護(hù)將分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)開關(guān)以及發(fā)電機(jī)勵磁，同時給出發(fā)電機(jī)SHUT DOWN 命令。

為了消除差動互感器穩(wěn)態(tài)不平衡電流和暫態(tài)不平衡電流引起的誤動作，發(fā)電機(jī)保護(hù)通常采用比例制動型差動保護(hù)繼電器，差動保護(hù)繼電器動作值設(shè)定為10~50% In。

2) 母排保護(hù)單元

母排發(fā)生短路時，母聯(lián)開關(guān)應(yīng)先于發(fā)電機(jī)開關(guān)動作，通過動作時間來實(shí)現(xiàn)母聯(lián)開關(guān)與發(fā)電機(jī)開關(guān)的選擇性。一般需采用方向性過流保護(hù)實(shí)現(xiàn)整個配電板的過流保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)電壓過低且持續(xù)一定時間后，應(yīng)先分?jǐn)嗄嘎?lián)開關(guān)，其延時時間一定要大于短路保護(hù)時間，建議欠壓保護(hù)整定值設(shè)為0.7UN，其動作的延時時間應(yīng)快于發(fā)電機(jī)開關(guān)動作時間，同時應(yīng)小于負(fù)載開關(guān)的動作時間。三相過壓保護(hù)用于保護(hù)由于發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)故障引起的異常電壓升高，建議過壓保護(hù)整定值設(shè)為1.2UN。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)頻率持續(xù)低一定時間后，應(yīng)分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)開關(guān)；欠頻保護(hù)延時時間應(yīng)大于電站管理系統(tǒng)在負(fù)載波動時動態(tài)調(diào)整需要的穩(wěn)定時間。當(dāng)母排接地故障時，母聯(lián)開關(guān)將首先分?jǐn)?，?yōu)先于發(fā)電機(jī)開關(guān)動作。零序過壓保護(hù)用于配電板的接地故障的保護(hù)，同時也作為線纜接地故障保護(hù)的后備保護(hù)，它可以實(shí)時監(jiān)測中壓系統(tǒng)的絕緣情況。通常，母聯(lián)開關(guān)的零序過壓保護(hù)應(yīng)優(yōu)先于發(fā)電機(jī)開關(guān)動作。

3) 變壓器單元

發(fā)生短路時，變壓器的短路保護(hù)應(yīng)最先動作，但在變壓器合閘導(dǎo)致沖擊電流時不動作。

當(dāng)變壓器電壓較低且持續(xù)一定時間后，變壓器開關(guān)欠壓保護(hù)動作時間應(yīng)快于母聯(lián)開關(guān)欠壓保護(hù)動作時間，其延時時間應(yīng)長于短路延時設(shè)定。

當(dāng)變壓器發(fā)生接地故障時，變壓器開關(guān)應(yīng)優(yōu)先于母聯(lián)開關(guān)動作。

4 選擇性保護(hù)分析

結(jié)合某工程項(xiàng)目，對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行選擇性保護(hù)配合分析。主發(fā)電機(jī)開關(guān)短路動作電流設(shè)置為1005 A，動作時間為1 s；聯(lián)絡(luò)開關(guān)短路動作電流設(shè)置為945 A，動作時間為0.8 s；主推進(jìn)變壓器原邊開關(guān)短路動作電流設(shè)置為788 A，動作時間為0.4 s?？梢酝ㄟ^動作時間來實(shí)現(xiàn)開關(guān)之間的選擇性。

按照圖1，主發(fā)電機(jī)開關(guān)的曲線依次在聯(lián)絡(luò)開關(guān)和主推進(jìn)變壓器原邊開關(guān)曲線上方，因此主發(fā)電機(jī)開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主推進(jìn)變壓器原邊開關(guān)之間具備選擇性。

圖1 主發(fā)電機(jī)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主推進(jìn)變壓器原邊開關(guān)

側(cè)推開關(guān)短路動作電流設(shè)置為635.8 A，動作時間為0.4 s。按照圖2，主發(fā)電機(jī)開關(guān)的曲線依次在聯(lián)絡(luò)開關(guān)和側(cè)推開關(guān)曲線上方，因此主發(fā)電機(jī)開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)與側(cè)推開關(guān)之間具備選擇性。

圖2 主發(fā)電機(jī)開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)與側(cè)推開關(guān)

公用變壓器副邊開關(guān)為E3N 2500，400 V配電板負(fù)載開關(guān)為MCCB400。公用變壓器副邊開關(guān)長延時動作電流設(shè)置為2200 A，動作時間為3 s；動作電流設(shè)置為短延時6250 A，動作時間為0.4 s。400 V配電板負(fù)載開關(guān)長延時動作電流設(shè)置為340 A，動作時間為3 s；動作電流設(shè)置為短延時1200 A，動作時間為0.3 s；瞬時動作電流設(shè)置為4000 A。如圖3所示，兩者之間具有選擇性。

圖3 公用變壓器副邊開關(guān)與400 V配電板負(fù)載開關(guān)

根據(jù)以上分析，對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行選擇性保護(hù)配合設(shè)計(jì)后均能實(shí)現(xiàn)選擇性，可以滿足系統(tǒng)保護(hù)的要求。

5 結(jié)束語

本文對船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)進(jìn)行全方位的描述和介紹，并結(jié)合某項(xiàng)目，對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行選擇性保護(hù)配合分析，結(jié)果表明該選擇性保護(hù)分析方法正確可行，為后續(xù)選擇性保護(hù)方案的制定以及軟件的制作提供了好的理論指導(dǎo)。

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Research on Selective Protection of Marine Electric Propulsion System

Hu Yijun

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

U664.14

A

1003-4862（2021）04-0006-03

2020-09-22

胡義軍（1979-），男，高級工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)。E-mail：13349950963@189.cn