利用電流繼電器的船用發(fā)電機(jī)與側(cè)推電機(jī)斷路器配合分析

趙 騰

山東軌道交通勘察設(shè)計院有限公司

1 基本運(yùn)行工況

某海工船配有動力定位系統(tǒng)，配有兩臺艉側(cè)推，每臺側(cè)推電機(jī)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(jī)組為側(cè)推電機(jī)供電，其中每臺發(fā)電機(jī)功率為550kW（688kVA∕450V∕60Hz）。每臺側(cè)推電機(jī)啟動時，要求至少有兩臺發(fā)電機(jī)在線并車運(yùn)行，啟動后正常運(yùn)行時，母聯(lián)斷開，發(fā)電機(jī)解列，每一臺側(cè)推電機(jī)只由一臺發(fā)電機(jī)提供電源，兩個側(cè)推電機(jī)不可同時啟動。

動力定位工況時，艉側(cè)推供電子系統(tǒng)單線圖如圖1所示，每臺發(fā)電機(jī)（DG1∕2∕3）和側(cè)推電機(jī)（ST1∕2）配有各自斷路器，每臺發(fā)電機(jī)為各自母排供電，各個母排通過母聯(lián)斷路器連接，兩臺側(cè)推電機(jī)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(cè)推電機(jī)供電，還為其他小容量輔助設(shè)備提供電源，中間發(fā)電機(jī)DG1主要用于與DG2∕3并車啟動側(cè)推電機(jī)，在電機(jī)啟動后解列，為其他大功率設(shè)備供電。

圖1 艉側(cè)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(yùn)行方式時短路電流（RMS）為29.08kA，最小運(yùn)行方式時為5.22kA。為保證精確的上下級配合，側(cè)推電機(jī)采用帶三段式保護(hù)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(jī)斷路器采用可調(diào)間隔更小的三段式電子脫扣器（ABB E1N1250 PR123P In=1250A，Icu=65kA），以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的整定。

3 斷路器整定計算及配合分析

3.1 側(cè)推電機(jī)啟動時的上下級配合關(guān)系

側(cè)推啟動時兩臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，并聯(lián)發(fā)電機(jī)通過調(diào)速器和自動電壓調(diào)節(jié)裝置可以平均分配負(fù)荷，在校驗(yàn)配合關(guān)系時可將發(fā)電機(jī)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(jī)斷路器的整定值如表1 所示，根據(jù)校驗(yàn)配合系數(shù)可容易看出上下級配合校驗(yàn)通過。

3.2 側(cè)推電機(jī)正常運(yùn)行時的上下級配合關(guān)系

側(cè)推電機(jī)啟動后正常運(yùn)行時，母聯(lián)斷開，發(fā)電機(jī)解列，由一臺發(fā)電機(jī)供電。發(fā)電機(jī)與側(cè)推電機(jī)斷路器初設(shè)整定值比較見表1。

表1 上下級斷路器配合關(guān)系校驗(yàn)

由上面表格分析可以看出在發(fā)電機(jī)分列運(yùn)行工況時，長延時通過調(diào)整上下級定值，配合系數(shù)可勉強(qiáng)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(diào)整方式可以實(shí)現(xiàn)上下級斷路器的配合關(guān)系，一個是增大發(fā)電機(jī)斷路器的短延時整定值，另一種方式是減小側(cè)推電機(jī)斷路器的整定值。由于發(fā)電機(jī)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(diào)為最大，已沒有調(diào)整余地，我們把目標(biāo)放在側(cè)推電機(jī)斷路器上。側(cè)推電機(jī)斷路器短延時要躲過電機(jī)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(guān)系的要求。考慮到側(cè)推電機(jī)斷路器短延時主要用于電機(jī)啟動過程中的電機(jī)和線路保護(hù)，而在電機(jī)正常運(yùn)行后，不需要考慮電機(jī)的最大啟動電流的影響，為實(shí)現(xiàn)與上級斷路器的配合，可將在電機(jī)啟動完成后將短延時調(diào)小。這就需要設(shè)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(hù)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(shí)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(diǎn)，短路電流調(diào)整范圍為 1In～4In，0s～1s，過電流調(diào)整范圍 0.5In～1.5In，0s～120s，配合1000∕5A電流互感器，可實(shí)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(yīng)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(hù)的可靠性，本項目中實(shí)際也啟用了電流繼電器的過載保護(hù)功能，其整定值設(shè)為1000A，30s(定時限)。與側(cè)推電機(jī)斷路器長延時作為電機(jī)過電流雙重保護(hù)（互為后備保護(hù)）。加了過流繼電器后的電機(jī)實(shí)際保護(hù)曲線為兩條曲線逐點(diǎn)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(yàn)配合關(guān)系滿足要求。

4 電流繼電器工作方式

電流繼電器保護(hù)功能的投入和退出，由發(fā)電機(jī)和母聯(lián)斷路器的輔助觸點(diǎn)構(gòu)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(hù)電機(jī)及線路。當(dāng)側(cè)推電機(jī)準(zhǔn)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(jī)啟動并車，運(yùn)行穩(wěn)定后，給側(cè)推電機(jī)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(jī)斷路器，僅由電機(jī)斷路器完成保護(hù)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(jī)解列，同時投入電流繼電器，恢復(fù)電流繼電器和斷路器同時保護(hù)電機(jī)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(cè)推電機(jī)時重復(fù)以上過程。

5 總結(jié)

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(jī)功率（550kW）與側(cè)推電機(jī)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(cè)推電機(jī)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(jī)容量（如800kW），將三臺發(fā)電機(jī)改為兩臺總?cè)萘恳粯拥陌l(fā)電機(jī)，這樣發(fā)電機(jī)的斷路器長延時會加大，單臺發(fā)電機(jī)運(yùn)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(jī)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(hù)配合上會更簡單一些。另外，如果本項目中，單臺發(fā)電機(jī)只用于驅(qū)動側(cè)推電機(jī)，沒有其他負(fù)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(jìn)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(yīng)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(shí)際情況確實(shí)要減少規(guī)定的配合系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)值或計算不好判斷配合關(guān)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(shè)計初期技術(shù)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(fù)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(bǔ)措施，亦可應(yīng)用在改造項目中。