王小軍

（海軍裝備部，北京100841）

1 引言

隨著船舶不斷向自動(dòng)化、多功能化和節(jié)能化方向發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量、連續(xù)性和可靠性將直接影響船舶的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和生命力。船舶電氣設(shè)備應(yīng)設(shè)有合適的保護(hù)裝置，當(dāng)船舶電力系統(tǒng)在某處發(fā)生故障時(shí)通過(guò)保護(hù)裝置的選擇性作用，確保對(duì)非故障電路特別是包含重要設(shè)備的非故障電路的連續(xù)供電，并且通過(guò)保護(hù)裝置及時(shí)切除故障線路，限制故障范圍。

本文以某型40 m級(jí)出口巡邏艇為例，通過(guò)計(jì)算電力系統(tǒng)短路電流進(jìn)行電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)分析，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，以有效降低事故的影響，最大限度地保證船舶電站的正常運(yùn)行，確保船舶航行安全。

2 船舶概述

某型40 m級(jí)出口巡邏艇配置2臺(tái)128 kW的柴油發(fā)電機(jī)，交流電力系統(tǒng)采用AC415V、50 Hz,按照中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)范要求：可并聯(lián)連接的發(fā)電機(jī)總?cè)萘看笥?50 kVA的艦艇，需要對(duì)電力系統(tǒng)選擇性協(xié)調(diào)動(dòng)作進(jìn)行分析，保證迅速切除所有短路故障、發(fā)生故障時(shí)選擇性動(dòng)作、最大限度地保證供電連續(xù)性。該型艇的電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)，需要考慮可并聯(lián)發(fā)電機(jī)之間、主發(fā)電機(jī)與以下各級(jí)之間、主電力和總用變壓器之間、隔離開(kāi)關(guān)與發(fā)電機(jī)之間的過(guò)電流即過(guò)載和短路保護(hù)協(xié)調(diào)動(dòng)作。

3 電力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本艇交流電力系統(tǒng)采用AC415V、50 Hz、三相三線，電源配置2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)（DG1和DG2），短路電流最大工況為2臺(tái)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，最小工況為1臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

本艇配電系統(tǒng)由主配電板、總用充放電板、機(jī)艙充放電板、無(wú)線電充放電板、岸電箱、各類(lèi)分配電箱及駕控臺(tái)的配電組件等構(gòu)成，對(duì)全艇AC415 V、AC220 V、DC24 V用電進(jìn)行控制。

本艇在集控室設(shè)主配電板一座，由發(fā)電機(jī)控制屏、負(fù)載屏組成，主配電板內(nèi)使用的發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)及保護(hù)裝置均采用施耐德品牌，其具有電流長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、逆功率及欠壓脫扣保護(hù)等功能；主配電板與岸電聯(lián)鎖，發(fā)電機(jī)與岸電不能同時(shí)供電；主配電板與總用充放電板聯(lián)鎖，主電源失電時(shí)低壓應(yīng)急照明自動(dòng)投入，主配電板具有逆功率保護(hù)功能。在發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)逆功率大于12.8 kV A時(shí)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)脫扣；主配電板設(shè)風(fēng)油遙切按鈕線路，在火災(zāi)情況下可切斷風(fēng)機(jī)、油泵線路，主配電板設(shè)有自動(dòng)電站管理系統(tǒng)。

本系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備按短路電流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇，本系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備協(xié)調(diào)性分析按電流和時(shí)間選擇性原則進(jìn)行分析，發(fā)電機(jī)保護(hù)采用框架式斷路器+電子脫扣器（長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)）。

4 短路電流工況分析

短路是船舶電力系統(tǒng)最常見(jiàn)且造成破壞最嚴(yán)重的故障之一。計(jì)算短路電流，可以給船舶電力系統(tǒng)制定繼電保護(hù)策略、選擇電氣設(shè)備、校驗(yàn)用電設(shè)備穩(wěn)定性和開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗄芰μ峁┍匾臄?shù)據(jù)，因此準(zhǔn)確計(jì)算短路電流對(duì)船舶電力系統(tǒng)意義重大。船舶電力系統(tǒng)較陸上電力系統(tǒng)容量小，但其短路電流值相對(duì)較大，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。電力系統(tǒng)各級(jí)保護(hù)電器處可能出現(xiàn)的最大短路電流和最小短路電流，是進(jìn)行電力系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)性分析的依據(jù)。

本艇在航行工況下，由1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)負(fù)載供電：柴油發(fā)電機(jī)DG1、DG2的額定功率均為160 kVA，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的額定電壓及額定頻率均為AC415 V和50 Hz；變壓器額定功率為50 kV A、額定電壓為415/230 V。

在計(jì)算最大短路電流時(shí)應(yīng)計(jì)及最大負(fù)載工況下所有可能并聯(lián)連接于主匯流排的發(fā)電機(jī)的電動(dòng)機(jī)的短路電流。按照中國(guó)船級(jí)社《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》電力系統(tǒng)的短路電流計(jì)算的要求，本艇在航行中出現(xiàn)最大短路電流工況時(shí)各處的短路電流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1；最小短路電流工況時(shí)各處的短路電流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 最大短路電流計(jì)算結(jié)果

表2 最小短路電流計(jì)算結(jié)果

在各工況短路電流計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)，以保證對(duì)重要設(shè)備的供電連續(xù)性及可靠性。因此，對(duì)于本艇部分?jǐn)嗦菲鬟x型結(jié)果，如表3所示。

表3 部分?jǐn)嗦菲鬟x型結(jié)果

5 具有代表性的選擇性保護(hù)元件的選型和整定

依據(jù)最大及最小短路電流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇性保護(hù)分析，再根據(jù)發(fā)電機(jī)端短路電流衰減曲線、各保護(hù)元件的時(shí)間電流特性曲線來(lái)確定各保護(hù)元件的選型和整定。

5.1 發(fā)電機(jī)之間及以下各級(jí)之間的保護(hù)元件的選型和整定

發(fā)電機(jī)端短路電流衰減曲線，如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)端短路電流衰減曲線

主發(fā)電機(jī)之間的短路選擇性保護(hù)，采用保護(hù)發(fā)電機(jī)斷路器的瞬時(shí)保護(hù)；主柴油機(jī)(DG1和DG2)主斷路器電流瞬時(shí)動(dòng)作值，整定為Ii=4 kA，其值大于發(fā)電機(jī)端短路電流（Ipg/）的1.2倍，滿(mǎn)足《船舶電力系統(tǒng)過(guò)電流選擇性保護(hù)指南》的要求，可實(shí)現(xiàn)這部分的短路選擇性保護(hù)。

主發(fā)電機(jī)與以下各級(jí)之間的短路選擇性保護(hù)，發(fā)電機(jī)長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)的電流整定值取發(fā)電機(jī)額定電流的135%～150%，斷路器在15～30 s之間動(dòng)作；短延時(shí)保護(hù)的始動(dòng)電流整定值，取發(fā)電機(jī)額定電流的200%～250%，延時(shí)時(shí)間應(yīng)小于等于0.4 s。

5.2 主發(fā)電機(jī)斷路器與船用冷水機(jī)組主斷路器的選型與整定

主發(fā)電機(jī)斷路器與船用冷水機(jī)組主斷路器時(shí)間電流特性曲線，如圖2所示。

圖2 斷路器時(shí)間電流特性曲線

主發(fā)電機(jī)斷路器與船用冷水機(jī)組主斷路器的選型與整定表，如表4所列。

表4 主發(fā)電機(jī)斷路器與船用冷水機(jī)組主斷路器的選型與整定表

表4中A、B對(duì)應(yīng)斷路器均采用了STD保護(hù)。主發(fā)電機(jī)斷路器的INST整定值Ii=4kA，大于發(fā)電機(jī)端短路電流（Ipg/）的1.2倍；斷路器短延時(shí)設(shè)定動(dòng)作的最大可返回時(shí)間為350 ms（設(shè)定為0.4 s時(shí)）、最大全分?jǐn)鄷r(shí)間為70 ms（設(shè)定為0.02 s時(shí)）；上一級(jí)斷路器的可返回時(shí)間大于下一級(jí)斷路器的最大全分?jǐn)鄷r(shí)間，故可實(shí)現(xiàn)完全選擇性保護(hù)。

5.3 主發(fā)電機(jī)斷路器與消防總用泵主斷路器的選型與整定

主發(fā)電機(jī)斷路器與日用照明變壓器初級(jí)斷路器、廚房分電箱主斷路器、廚房分電箱內(nèi)最大負(fù)載斷路器時(shí)間電流特性曲線，如圖3所示。

圖3 斷路器時(shí)間電流特性曲線

主發(fā)電機(jī)斷路器與日用照明變壓器初級(jí)斷路器、廚房分電箱主斷路器、廚房分電箱內(nèi)最大負(fù)載斷路器的選型與整定表，如表5所列。

表5 主發(fā)電機(jī)與日用照明變壓器、廚房分電箱斷路器選型與整定表

表5中A、B對(duì)應(yīng)斷路器均采用了STD保護(hù)。斷路器短延時(shí)設(shè)定動(dòng)作的最大可返回時(shí)間為350 ms（設(shè)定為0.4 s時(shí)）、最大全分?jǐn)鄷r(shí)間為220 ms （設(shè)定為0.2 s時(shí)）；上一級(jí)斷路器的可返回時(shí)間大于下一級(jí)斷路器的最大全分?jǐn)鄷r(shí)間，故可以實(shí)現(xiàn)完全選擇性保護(hù)；日用照明變壓器初級(jí)斷路器瞬動(dòng)設(shè)定Ii=2.4 kA，大于副邊短路電流峰值折算至原邊的值（Ii=1.2*（230/415）*Ip230 V/=1.53 kA），滿(mǎn)足選擇性保護(hù)要求，即上級(jí)斷路器B:NSX160F Micrologic 5.2A和下級(jí)斷路器C:iC65N D50在短路時(shí)可以滿(mǎn)足下級(jí)斷路器優(yōu)先脫扣，故B、C對(duì)應(yīng)斷路器可以實(shí)現(xiàn)完全選擇性保護(hù)。由圖1至圖3按時(shí)間-電流選擇性原則，在發(fā)生相同過(guò)載、短路電流時(shí)，下一級(jí)斷路器優(yōu)先于上一級(jí)斷路器動(dòng)作，故本曲線所分析保護(hù)元件符合完全選擇性要求.綜合表1至表5和圖1至圖3的曲線以及相關(guān)備注說(shuō)明可知，本艇所選用保護(hù)元件符合完全選擇性的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

過(guò)電流故障對(duì)船舶電力系統(tǒng)有很大的危害，由此可能會(huì)引發(fā)電氣事故甚至發(fā)生火災(zāi)，危及船舶及人身安全。本文通過(guò)對(duì)船舶交流系統(tǒng)過(guò)電流選擇性保護(hù)的設(shè)計(jì)，校驗(yàn)了斷路器及參數(shù)整定的合理性，為船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。