船舶电力推进系统选择性保护分析

2021-04-23胡义军

船电技术 2021年4期

关键词：差动选择性短路

胡义军

应用研究

船舶电力推进系统选择性保护分析

胡义军

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文对过电流选择性保护设计标准和系统保护原理进行说明，分析船舶电力系统短路电流的特点，并结合某工程项目，对船舶电力推进系统进行选择性保护配合设计，采用仿真软件对电力推进系统选择性保护配合设计方案进行验证，结果表明该选择性保护分析方法正确可行。

电力推进系统保护原理选择性保护

0 引言

船舶电力系统选择性保护规范经过了长期的理论与实践检验，并针对船舶的实际发展需求不断的进行修订，具备了良好的可靠性。在船舶电力系统选择性保护的设计与研究中，对国内外的各种船舶电力系统选择性保护规范进行研究具有重要的意义。

本文对过电流选择性保护设计标准和系统保护原理进行说明，并结合某工程项目，对船舶电力推进系统进行选择性保护配合分析。

1 系统保护说明

电力系统的过电流选择性保护有过载选择性保护和短路选择性保护之分。由于在船舶电力系统中，除了例如侧向推进器等特大负载，其容量可达1台或1台以上主发电机容量，则需有一定措施保证安全供电之外，一般情况下，上级馈电线保护电器定额均可达其下一级馈电线保护电器定额的好几倍。

按照船规的要求电气装置中应设有合适的保护电器，以能在发生包括短路在内的过电流和其他电气故障时对其进行保护。各保护电器的性能及其布置应能提供完善协调的自动保护，以保证在某处发生故障的情况下，通过保护电器的选择性作用确保无故障重要设备电路的供电连续性，消除故障的影响，从而减少对系统的损害和发生火灾的危险。同时在配电系统的每一不接地的极或相上均应设有短路保护。

2 船舶电力系统短路电流的特点

船舶的尺度是有限的，据了解目前在世界范围内最大船舶的长度不超过350 m，而且大部分用电设备集中在机舱和起居处所。因此，与陆上15 kV及以下电力系统相比，船舶电力系统有系统相对简单、范围小和线路短（用电设备大多紧靠发电机）的特点。船舶电力系统的另一特点是其主电源都由几台（一般为3台）中小容量的发电机组组成，供电的发电机组台数随船舶工况的不同而有变化。基于以上情况，决定了船舶电力系统在发生短路故障情况下所产生的短路电流，与陆上15 kV 及以下电力系统相比有如下三大特点：

1）短路电流值相对较大；2）除远离发电机的区域外，同一故障点在不同工况下的短路电流值是变化的；3）上、下级保护电器所在位置上的短路故障电流值差别不大。

3 系统保护原理

总的来说，设定值要尽可能的高，以保证下级曲线可通过。所有的设备都需要根据适用规范和设备的过载、短路耐受能力来进行保护判定。下面以中压系统进行说明。

1) 发电机保护单元

发电机单元保护器用于保护发电机和发电机电缆，它还作为配电板发生的短路的后备保护。

发电机的负载需要通过电站管理系统PMS进行控制和监测，过载情况发生时，可由PMS控制降低负荷或者对负载执行优先脱扣，如果此功能没有执行，鉴于发电机不能长时间持续过载，因此发电机开关将要脱扣。

短路保护将保护配电板发生的短路；差动保护将保护发电机和发电机电缆上发生的短路。

继电保护需要确保在发电机的最小稳态短路电流下可脱扣。发电机开关三相短路保护应在1秒内被分断，母联开关短路保护应在发电机开关之前动作。

差动保护装置是检测主发电机和主配电板开关之间线路是否短路或者有接地现象的一种保护装置，主要原理是将发电机侧的所检测的二次电流和配电板侧二次检测电流的矢量差引入差动保护装置，保护范围为定子绕组和引出线，发电机的主要保护是差动保护，一般用于匝间和相间的快速分断；其幅值或相角超过预设值后，保护立刻动作，差动保护将分断发电机开关以及发电机励磁，同时给出发电机SHUT DOWN 命令。

为了消除差动互感器稳态不平衡电流和暂态不平衡电流引起的误动作，发电机保护通常采用比例制动型差动保护继电器，差动保护继电器动作值设定为10~50% In。

2) 母排保护单元

母排发生短路时，母联开关应先于发电机开关动作，通过动作时间来实现母联开关与发电机开关的选择性。一般需采用方向性过流保护实现整个配电板的过流保护。当系统电压过低且持续一定时间后，应先分断母联开关，其延时时间一定要大于短路保护时间，建议欠压保护整定值设为0.7UN，其动作的延时时间应快于发电机开关动作时间，同时应小于负载开关的动作时间。三相过压保护用于保护由于发电机励磁系统故障引起的异常电压升高，建议过压保护整定值设为1.2UN。当网络频率持续低一定时间后，应分断发电机开关；欠频保护延时时间应大于电站管理系统在负载波动时动态调整需要的稳定时间。当母排接地故障时，母联开关将首先分断，优先于发电机开关动作。零序过压保护用于配电板的接地故障的保护，同时也作为线缆接地故障保护的后备保护，它可以实时监测中压系统的绝缘情况。通常，母联开关的零序过压保护应优先于发电机开关动作。

3) 变压器单元

发生短路时，变压器的短路保护应最先动作，但在变压器合闸导致冲击电流时不动作。

当变压器电压较低且持续一定时间后，变压器开关欠压保护动作时间应快于母联开关欠压保护动作时间，其延时时间应长于短路延时设定。

当变压器发生接地故障时，变压器开关应优先于母联开关动作。

4 选择性保护分析

结合某工程项目，对船舶电力推进系统进行选择性保护配合分析。主发电机开关短路动作电流设置为1005 A，动作时间为1 s；联络开关短路动作电流设置为945 A，动作时间为0.8 s；主推进变压器原边开关短路动作电流设置为788 A，动作时间为0.4 s。可以通过动作时间来实现开关之间的选择性。

按照图1，主发电机开关的曲线依次在联络开关和主推进变压器原边开关曲线上方，因此主发电机开关、联络开关与主推进变压器原边开关之间具备选择性。

图1 主发电机、联络开关与主推进变压器原边开关

侧推开关短路动作电流设置为635.8 A，动作时间为0.4 s。按照图2，主发电机开关的曲线依次在联络开关和侧推开关曲线上方，因此主发电机开关、联络开关与侧推开关之间具备选择性。

图2 主发电机开关、联络开关与侧推开关

公用变压器副边开关为E3N 2500，400 V配电板负载开关为MCCB400。公用变压器副边开关长延时动作电流设置为2200 A，动作时间为3 s；动作电流设置为短延时6250 A，动作时间为0.4 s。400 V配电板负载开关长延时动作电流设置为340 A，动作时间为3 s；动作电流设置为短延时1200 A，动作时间为0.3 s；瞬时动作电流设置为4000 A。如图3所示，两者之间具有选择性。