多机组船舶供电系统保护方案分析

徐滨海，莫文科，孙晓蔚，王 亮

●（1．中国船舶重工集团第七〇四研究所，上海 200031；2．中远川崎船舶工程有限公司技术本部，江苏南通 226000）

多机组船舶供电系统保护方案分析

徐滨海1，莫文科1，孙晓蔚1，王 亮2

●（1．中国船舶重工集团第七〇四研究所，上海 200031；2．中远川崎船舶工程有限公司技术本部，江苏南通 226000）

船舶电力系统容量的不断增大使系统中发电机数量增多，分段和联络断路器的电流值都相应增加，从而给系统的保护设计带来了一定困难。本文以多台发电机的某船电力系统为例，设计了该船供电系统的保护方案。

船舶供电系统；保护方案；瞬动；长延时；短延时

0 引言

船舶电力系统在运行过程中可能发生各种故障和不正常运行状态，会损坏设备或缩短其使用寿命,影响电能质量,破坏系统的稳定性[1]。船舶电力系统的保护需要自动、迅速、有选择地将故障部分从电网中隔离，保证无故障区域的正常运行，同时还需要反映系统运行中的不正常运行状态。因此，为避免各种故障对系统设备造成损害或破坏系统运行的稳定性，有必要对系统的选择性保护方案进行研究，通过研究确定系统的保护方案，确保船舶电力系统保护设计的选择性、灵敏性、可靠性和速动性。

1 断路器保护功能的分析

断路器具有长延时、短延时、瞬动和欠压的保护功能，现分别分析各种保护功能的作用。

断路器的长延时保护主要针对本回路过载或非正常运行状态的限制，防止设备或电缆由于过电流而导致温度过高而影响使用寿命，其设定主要根据各断路器所在位置的运行限制确定。断路器的短延时保护主要是为该断路器的下一级汇流排、馈线断路器之后的所有低阻抗故障提供与这些断路器之间的选择性保护，防止出现较大的过电流而烧毁设备。利用断路器短延时动作电流和动作时间可设置的特点，实现有选择的分区域故障切除，以最大可能实现非故障回路的正常运行。采用的策略是当电网出现故障电流使多个断路器超过设定值时：1）切断联络断路器，使并联电站解列；如果故障发生在联络断路器电缆上，则故障消除，各电站可按照正常的功率需求进行调整并达到稳定；如果故障发生在电站内，则非故障电站可按照正常的功率需求进行调整并达到稳定；2）在故障电站内如果多个断路器电流超过设定值，则先分断分段断路器，使电站内机组解列运行；则无论故障发生在何处，必然只能影响其中一个小区域，其它区域可按照正常的功率需求进行调整并达到稳定；3）在故障区，跳开机组断路器并停机，实现故障隔离。

断路器的瞬时动作保护是为了防止出现严重的短路故障而设置的保护，是指当脱扣器通过大于其整定的电流值时在 0.2s的机械固有动作时间内迅速分断。瞬动保护一般不作为系统故障的主要保护手段，因为当瞬时保护能够动作于2相、3相故障时，其整定值要求小于最小的两相短路故障电流。当发生稍严重的电网故障时，存在多个工作断路器甚至全部工作断路器的电流都超过设定值，而发生大面积跳闸，导致大范围失电的情况。这样的保护设置基本失去选择性，降低了供电连续性。

如果对分段和联络断路器都设置瞬动保护，则在发生短路时，系统中多个断路器同时会出现较大的瞬时过电流，从而使系统中该电流流经的断路器大量跳闸，影响电站或系统的完整性，造成不必要的系统解列。因此，本系统对发电机设置瞬动保护，分段和联络断路器的瞬动保护功能均可取消。

2 保护方案

由于船舶电力系统范围较小，线路相对较短以及大部分用电设备都集中在机舱和起居室处的特点，系统中上下级断路器所在的位置上短路故障电流值差别不大。因此，根据保护设计的一般要求，仅对机组断路器进行瞬时动作设置。只针对机组出线电缆严重故障、故障机组与2台或以上机组并联且负载足够大时进行快速定位和动作。

根据舰船电网的特点，船舶电力系统保护的主要范围包括主干网络上的所有电缆和发电机组。针对的主要故障为线路2相和3相短路、机组过载和逆功。

1）供电网络发生2相短路和3相短路时，通过断路器的短延时和瞬时动作设置，实现故障的切除；

2）通过机组、分段和联络断路器断路器的长延时动作设置，实现过载保护；

3）通过机组、分段和联络断路器断路器的过载预报警设置，实现机组、母排和联络线的过载预警示；

4）通过主配电板控制屏内的逆功率继电器进行机组逆功保护；

5）此外，发电机和联络断路器断路器都设置了欠压保护。

2.1 发电机

发电机过载预报警：运行模式里当单机功率达85%左右，将进行自动增机的操作，一般45 s后完成增机操作，过载预报警作为该操作的后备保护，96%额定电流时会经10 s后报警，让操作人员进行手动增机等操作。

过载长延时保护：为避开发电机1.1倍的过载运行能力、5%的断路器误差，以及电动机的启动电流，反时限保护的整定启动值为1.2倍的发电机额定电流Ie。断路器长延时考核点处对应的延时时间一般取为该断路器的最长延时时间，以充分利用发电机组的过载能力，保证发电机持续在网供电。

短延时保护：短延时需要考虑大容量电动机的启动过程产生较大冲击电流及脱扣器的检测误差。按照规定，电流整定值要不大于被保护发电机单机稳态短路电流的80%，延时时间要略大于分段断路器及电站间联络断路器的延时时间，还需要考虑给负载断路器留一级的短延时保护档位。因此短延时时间一般取为发电机断路器的最大可设定值。按照相关要求[4]，船舶发电机的稳态短路电流一般不低于发电机额定电流的3倍，因此，短延时的整定电流可取2.4(3.0×0.8)倍单机额定电流。

瞬时保护：该保护适用于3机及以上发电机并联供电的情况下发电机出口短路的情况，其整定值选择大于 1.2倍发电机机端短路的最大峰值短路电流ipg再除以 2。

逆功保护：借助逆功继电器实现，柴油机组整定为额定功率的8%～15%，延时3s～10s。并且要求在外加电压跌落50%的情况下，逆功率继电器依然要求有效[3]。

欠电压保护：低压机组利用欠压脱扣器，在 35%～70%额定电压情况下延时3s～5s动作。

差动保护：为进一步对发电机内部进行保护，防止在小工况的情况无法迅速定位发电机的内部短路故障的情况，在发电机定子内部以及主配电板进线端装设了差动电流互感器，对发电机内部短路故障进行保护。

2.2 分段母排断路器

电流长延时保护：根据汇流排的设计额定通过电流能力，为充分利用其传输能力并考虑脱扣器的误差，长延时保护的电流启动值整定为 1.05倍的分段断路器的额定电流，断路器长延时考核点处对应的延时时间需要考虑与发电机长延时的配合并考虑脱扣器本身的误差。在发生过载，通过相同的过电流时，使分段断路器先分断，保证故障的隔离。因此，分段断路器的长延时动作时间应小于发电机的长延时动作时间。

短延时保护：该短延时的电流整定值与联络断路器对应，整定值取1.5倍脱扣器的额定电流，延时时间需要考虑本断路器的最长全分断时间不能大于发电机的最短分断时间，并且还要给下级（联络线或负载）留有设定值。因此，分段断路器的长延时一般取符合上述要求并离发电机短延时整定值最近的那一档。

2.3 电站联络线

电流长延时保护：为了保护电站间联络线并充分利用联络线的传输能力及考虑脱扣器的检测误差，过载长延时的启动值选择 1.05倍的电站间联络线的额定电流。联络断路器长延时考核点处对应的延时时间需要考虑与分段断路器长延时的配合并考虑脱扣器本身的误差。在发生过载，通过相同的过电流时，使联络断路器先分断，保证故障的隔离，因此，联络断路器的长延时动作时间应小于分段断路器的长延时动作时间。

短延时保护：该短延时的电流整定值与分段断路器对应，整定值取1.5倍脱扣器的额定电流，延时时间需要考虑本断路器的最长全分断时间不能上一级（分段断路器）的最短分断时间，并且还要给下级（负载）留有设定值。因此，联络断路器的长延时一般取符合上述要求并离分段断路器短延时整定值最近的那一档。

2.4 岸电保护

由于船舶电力系统保护设计都是以船舶电源供电为依据，继而选择保护装置整定值，所以对岸电供电时的系统保护协调没有具体要求。考虑到岸电的容量相当于一台发电机的额定容量，因此在保护的设置上要参考发电机的设置。

3 系统概述

某船由前后电站通过前后电站的联络接线连接而成，每个电站各有3台400V，1056kW，额定电流1905A的柴油发电机组，系统的总容量达到6336kW。分段和联络线最多允许通过4000A的电流。岸电通过右舷的电站间联络线接入系统的主电网，发电机和岸电断路器采用2500A级的断路器，分段和联络断路器采用4000A级的断路器。在运行过程中，一个电站可通过联络电缆向对面电站供电。

根据上述的系统参数结合保护方案的设置，对图1所示的系统进行短路计算[4]，根据计算结果可画出保护配合曲线，如图2、图3所示。由图2可以看出，在单机运行的情况下，发电机进入短延时而分断但联络断路器还在长延时阶段，这是因为随系统容量的增大，分段和联络断路器允许的通过的电流增大，两者进入短延时的电流相对于发电机更大。因此，在单机运行的情况下，可能存在保护选择性不够的而使发电机主断路器先动作的情况。但是，如图3所示，在两机同侧运行时这个问题可避免。

图1 系统原理图

图2 单机保护特性曲线

图3 两机保护特性曲线（等效为一台发电机）

4 结论

根据相关标准对某船的供电系统保护方案进行分析，由于船舶供电系统容量的增大[5]，传统的断路器三段式保护在单机运行时存在一定的选择性盲区，因此在运行时需要进行发电机组合运行方式的优化，但是，这还可能存在保护选择性不好的区域，因此在船舶上应用差动保护[5]等保护形式变得更必要。

[1]贺家李, 宋从矩. 电力系统继电保护原理[M]. 北京:中国电力出版社, 2004.

[2]中国船级社. 船舶电力系统过电流选择性保护指南[S]. 上海: 上海规范所, 2006.

[3]GB/T 13032-2010 船用柴油发电机组[S]. 北京: 国家标准化管理委员会, 2010.

[4]GB 3321-1982 船舶交流系统的短路计算[S]. 北京:国家标准化管理委员会, 1995.

[5]王焕文. 船舶电力系统及自动装置[M]. 北京: 科学出版社, 2004.

Analysis on Protective Scheme for Mass Generators Shipboard Supply Power System

XU Bin-hai1, MO Wen-ke1, SUN Xiao-wei1, WANG Liang2
(1. Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China;2. Nantong COSCO KHI Ship Engineering Co., Ltd., Jiangsu Nantong 226000, China)

As ship power system capacity increases, the number of generator together with the tie link switch and jumper switch current also increases, which makes the system protection design difficult. The generators system protection scheme is designed.

shipboard supply power system; protective scheme; instantaneous protection; long time delay protection; short time delay protection

TM 464

A

徐滨海（1981-），男，硕士。主要从事船舶电力系统设计。