船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)研究

竇曉峰，程德彬

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船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)研究

竇曉峰1，程德彬2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 海軍駐洛陽(yáng)四O七廠軍事代表室，河南洛陽(yáng) 471000）

本文概述了船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)條件，研究了船舶電力系統(tǒng)中主發(fā)電機(jī)與下面各級(jí)設(shè)備、主匯流排與用電設(shè)備、電力與照明變壓器之間的選擇性保護(hù)。結(jié)合船舶電力系統(tǒng)實(shí)例，提出了各級(jí)保護(hù)電器的選型和整定。

船舶 電力系統(tǒng) 選擇性保護(hù)

0 引言

選擇性保護(hù)是船舶電力系統(tǒng)中一種重要保護(hù)方式。選擇性保護(hù)是指當(dāng)船舶電力系統(tǒng)發(fā)生過(guò)電流故障時(shí)，故障電路中只有最靠近故障點(diǎn)的保護(hù)電器動(dòng)作，因此不會(huì)對(duì)未發(fā)生故障的電路產(chǎn)生影響，確保了船舶電力系統(tǒng)供電安全性和可靠性。選擇性保護(hù)一般分為過(guò)載選擇性保護(hù)與短路選擇性保護(hù)，本文主要研究短路選擇性保護(hù)。

1 選擇性保護(hù)條件

在船舶電力系統(tǒng)中，一般短路選擇性保護(hù)需要按照時(shí)間原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和整定保護(hù)電器。在電力系統(tǒng)短路選擇性保護(hù)的過(guò)程中，保護(hù)電器需要滿足以下條件：

l）保護(hù)電器需要同時(shí)具有相應(yīng)短路分?jǐn)嗪投搪方油ǖ哪芰Α?/p>

2）保護(hù)電器間的保護(hù)特性應(yīng)當(dāng)協(xié)同設(shè)置，滿足選擇性保護(hù)的參數(shù)要求。當(dāng)斷路器為保護(hù)電器時(shí)，則要求下一級(jí)斷路器的全分?jǐn)鄷r(shí)間小于上一級(jí)斷路器的可返回時(shí)間，即兩級(jí)斷路器電流-時(shí)間特性曲線不能存在交叉。

圖1 可實(shí)現(xiàn)全范圍選擇性保護(hù)

如圖1所示，上一級(jí)斷路器和下一級(jí)斷路器均為兩段保護(hù)，其中上一級(jí)斷路器為長(zhǎng)延時(shí)和短延時(shí)保護(hù)，下一級(jí)斷路器為長(zhǎng)延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)，兩級(jí)斷路器電流-時(shí)間曲線不存在交叉，所以能夠?qū)θ秶M(jìn)行選擇性保護(hù)。

如圖2所示，上一級(jí)斷路器為三段保護(hù)，分別為長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)，下一級(jí)斷路器為兩段保護(hù)，分別為長(zhǎng)延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)。當(dāng)電路中的短路電流大于1時(shí)上、下兩級(jí)斷路器均會(huì)發(fā)生動(dòng)作，因此不能完成全范圍選擇性保護(hù)，僅可以完成部分選擇性保護(hù)。

3）在保護(hù)器件選擇性保護(hù)動(dòng)作切除故障電路過(guò)程中，保護(hù)電路中相關(guān)設(shè)備及電氣元件需要具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

圖2 可實(shí)現(xiàn)部分選擇性保護(hù)

2 電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)

2.1 主發(fā)電機(jī)與以下各級(jí)之間

在船舶電力系統(tǒng)中，各級(jí)設(shè)備均設(shè)置了保護(hù)，包括：主發(fā)電機(jī)、主匯流排分段斷路器、主匯流排、應(yīng)急匯流排、組合起動(dòng)屏、主照明匯流排和應(yīng)急照明匯流排等。其中作為第一級(jí)保護(hù)，主發(fā)電機(jī)保護(hù)是涉及全船供電可靠性的關(guān)鍵，必須得到有效保障。

主發(fā)電機(jī)短延時(shí)保護(hù)參數(shù)設(shè)置時(shí)需要遵循下列要求：

1）根據(jù)船規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在設(shè)置主發(fā)電機(jī)短延時(shí)保護(hù)參數(shù)時(shí)，短延時(shí)保護(hù)電流整定值應(yīng)當(dāng)以3倍發(fā)電機(jī)額定電流作為標(biāo)準(zhǔn)；

2）由于電力系統(tǒng)中存在大容量電動(dòng)機(jī)，因此需要避免在起動(dòng)過(guò)程中引起誤操作；

3）主發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)為下一級(jí)提供后備保護(hù)。

2.2 主匯流排與用電設(shè)備間選擇性保護(hù)

船舶電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)主要采用饋線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，存在于主匯流排和用電設(shè)備間的保護(hù)級(jí)數(shù)一般不超過(guò)3級(jí)。主匯流排和用電設(shè)備之間的選擇性保護(hù)通過(guò)以下幾種方法實(shí)現(xiàn)：

l）各級(jí)保護(hù)均使用斷路器。除末級(jí)保護(hù)外，其他各級(jí)保護(hù)使用長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)的三段保護(hù)塑殼斷路器，而末級(jí)保護(hù)使用具有長(zhǎng)延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)的兩段保護(hù)塑殼斷路器。

2）電力系統(tǒng)中使用熔斷器是選擇性保護(hù)最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式。只有在照明網(wǎng)絡(luò)的末級(jí)不能使用熔斷器替代塑殼斷路器。除此之外，各級(jí)均可以使用熔斷器。

3）與照明網(wǎng)絡(luò)不同，在動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)中要求必須均使用塑殼斷路器。

2.3 電力與照明變壓器選擇性保護(hù)

船舶電力系統(tǒng)中通訊設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備以及照明系統(tǒng)等均是由電力與照明變壓器進(jìn)行供電，因此電力與照明變壓器起著至關(guān)重要的作用，保證其相關(guān)電路的選擇性保護(hù)就顯得尤為重要。

對(duì)于電力與照明變壓器選擇性保護(hù)，一般采用時(shí)間原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和整定保護(hù)電器，從而完成選擇性保護(hù)功能。常用的選擇性保護(hù)方法有：

l）變壓器初級(jí)電路使用塑殼斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)短路和過(guò)載保護(hù)功能。塑殼斷路器設(shè)置為短延時(shí)、長(zhǎng)延時(shí)兩段保護(hù)，其中短路保護(hù)通過(guò)短延時(shí)實(shí)現(xiàn)，過(guò)載保護(hù)通過(guò)長(zhǎng)延時(shí)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)變壓器初級(jí)保護(hù)需要與上、下級(jí)保護(hù)都達(dá)到選擇性保護(hù)條件的要求。

2）變壓器初級(jí)電路使用塑殼斷路器，塑殼斷路器僅設(shè)置為瞬時(shí)保護(hù)。同時(shí)要求塑殼斷路器僅在變壓器初級(jí)發(fā)生短路時(shí)發(fā)生動(dòng)作，而在變壓器次級(jí)電路發(fā)生短路時(shí)不發(fā)生動(dòng)作。

3）變壓器初級(jí)電路中短路保護(hù)功能通過(guò)熔斷器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)過(guò)載保護(hù)功能通過(guò)具有長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)的塑殼斷路器實(shí)現(xiàn)。此外，需要保證熔斷器的熔斷電流-時(shí)間特性與上、下級(jí)保護(hù)協(xié)調(diào)配合。

3 選擇性保護(hù)實(shí)例

3.1 電力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本實(shí)例是以某敷纜船的電力系統(tǒng)為例進(jìn)行選擇性保護(hù)。本船采用交流電力供電，系統(tǒng)電壓為交流690 V。公共電站共配備4臺(tái)690 V/2000 kW發(fā)電機(jī)。

在不同工況下的電能配置為:

1）4臺(tái)2000 W供電；

2）DP工況分區(qū)供電，690 V母排分別配備2臺(tái)690 V/2000 kW發(fā)電機(jī)；

3）單臺(tái)2000 kW供電；

4）1臺(tái)300 kW供電。

船上還配備了2臺(tái)AC690/400 V、3相、1500 kVA電力變壓器，供電于AC400 V/230 V配電板，還配備了2臺(tái)AC400/230 V、3相、200 kVA照明變壓器供電于230 V照明配電板，其中，2臺(tái)電力變壓器、2臺(tái)照明變壓器具備互鎖關(guān)系；推進(jìn)變壓器都配置有預(yù)充磁電路。

3.2 各級(jí)保護(hù)電器選型及整定

本船主發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)變壓器、配電變壓器、照明變壓器斷路器及整定值如下表所示。其中LTD代表長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)，STD代表短延時(shí)保護(hù)，INST代表瞬動(dòng)保護(hù)。

表1 主發(fā)電機(jī)組斷路器及整定值

表2 推進(jìn)變壓器斷路器及整定值

表3 690 V/400 V配電變壓器斷路器及整定值

表4 400/230 V照明變壓器斷路器及整定值

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)的基本條件，針對(duì)船舶各設(shè)備間選擇性保護(hù)提出了具體措施，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)例提出了選擇性保護(hù)開(kāi)關(guān)整定的方法，對(duì)船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)具有理論意義和實(shí)際參考價(jià)值。

[1] 方杰. 船舶電力系統(tǒng)過(guò)電流選擇性保護(hù). 江蘇船舶, 2009, (1).

[2] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范. 北京: 人民交通出版社, 2006.

[3] 船舶電力系統(tǒng)過(guò)電流選擇性保護(hù)指南. 中國(guó)船級(jí)社, 2007.

[4] 繆希仁. 低壓配電系統(tǒng)全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護(hù)技術(shù)[J]. 低壓電器, 2014, (9): 19-22.

Research Of the Selective Protection in Ship Power System

Dou Xiaofeng1, Cheng Debin2

（1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Naval Representative Office in Luoyang 407 Plant, Luoyang 471000, Henan, China）

TM77

A

1003-4862（2018）12-0025-03

2018-07-19

竇曉峰（1990-），男，工程師。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。E-mail:506053750@qq.com