電力推進船舶協調性分析

李智鵑

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

隨著現代控制理論和交流調速技術的逐漸成熟及系統技術和監控技術的不斷發展，電力推進船舶的優越性日益凸顯。以電力推進技術為代表的工程船舶已逐步成為高技術船舶動力系統發展的主流。

電力推進船舶采用公共電站，功率管理系統根據負荷的實時需求對各臺主發電機及推進系統進行監控并協調各發電機組工作，達到合理優化配置電能的目的。

在船舶電網中，系統短路較為普遍，是最具危害性的故障。妥善、有效地進行協調保護，可將故障范圍降低到最小，對保障電力推進船舶電網的穩定可靠運行有著十分重要的作用。

本文以某型電力推進起重船為例，按照時間原則或電流原則[1]，結合計算得到的船舶電力系統在不同故障位置下的短路電流，對該船的電力系統進行協調保護設計。

1 船舶電力系統介紹

該起重船由船舶公共電站供電。4臺1600kW主發電機向一個公共母排提供690V的三相電源，通過該母排饋電給推進設備、起重機及定位錨絞車，并經690V/400V變壓器和400V/230V變壓器向船用負載供電。另設1臺400kW的輔柴油發電機組和1臺214kW的應急兼停泊柴油發電機組。

艉部設2套1500kW全回轉定螺距舵槳系統，原動機為異步電動機，通過變頻器驅動和調速。艏部設2套600kW的定螺距管隧式推進器，原動機為異步電動機，通過變頻器驅動和調速。

在通常情況下，長期并聯4臺主發電機組運行，供該船航行、作業、生活及照明等用電；當船舶由航行工況或作業工況轉為停泊工況時，可由1臺輔發電機組對生活及照明等設備供電；應急機組可滿足緊急供電需求。

該船電力系統單線圖見圖1，其中：G1～G4為主發電機組；AG為輔發電機組；EG為應急發電機組；T1和T2為主推進移相變壓器；T3和T4為艏側推移相變壓器；T5和T6為主電力變壓器；T7和T8為主照明變壓器；T9和T10為應急照明變壓器；TM1和TM2為主推進電機；BM1和BM2為艏側推電機。

圖1 船舶電力系統單線圖

2 短路電流分析

根據該船的電力負荷需求，結合電網結構進行分析，系統發生最大短路故障是當4臺主發電機組并聯運行向全船供電時，系統發生最小短路故障是當輔發電機單獨向電網供電時。船舶電力系統各設備參數見表1。為便于對該船電力系統進行協調保護設計分析，計算得到各故障位置的短路電流見表2。

表1 船舶電力系統各設備參數

表2 各故障位置的短路電流 單位：kA

表2中，DG和AG分別為對應匯流排位置處出現短路時各發電機組饋送出的電流。此外，當應急工況下發生短路時，應急機組饋送出的電流為Iac=2.101kA，ip=4.794kA。

3 協調保護

3.1 參數整定

針對船舶電網設備相對集中、結構相對靈活的特點[2]，一般采用時間原則與電流原則相互配合的方式，選擇合適的保護器件實現船舶電網的協調保護。

根據相關船舶規范的要求，結合求得的該船電力系統短路電流值，得到系統各保護器件的參數見表3。

表3 保護器件參數

續表3

3.2 協調保護分析

3.2.1 主發電機及與下一級協調保護

1) 主發電機之間的協調保護依照電流原則，利用INST保護實現。根據選型結果，主發電機斷路器短路瞬時整定值為 30kA，滿足“當單一主發電機供電支路出現短路時，僅該支路斷路器斷開（ ip=100.458kA＞30 kA ），其他非故障支路斷路器不會分斷（1.2ip/=27.328 kA＜30 kA ）”的要求，可實現主發電機之間的短路協調保護。

2) 主發電機與主母線之間通過時間配合實現協調保護。主母線分斷斷路器瞬時保護設置為關閉狀態，僅在短延時區間內與上級主發電機斷路器以時間選擇的方式進行協調保護。由于下級斷路器的短延時時間（tsd=0.3s）小于上級（tsd=0.4s），故可實現短路協調保護。

3) 主發電機與690V/400V變壓器之間通過時間配合實現協調保護。變壓器原邊斷路器瞬時保護設置為關閉狀態，僅在短延時區間內與上級主發電機斷路器以時間選擇的方式進行協調保護。由于下級斷路器的短延時時間（ tsd=0.2s）小于上級（tsd=0.4s），故可實現短路協調保護。

4) 主發電機與主推進變壓器之間通過時間配合實現協調保護。當主推進饋線側出現較大電流（≥4500A）時，上級斷路器不會瞬時分斷，下級斷路器會在80ms內分斷，故可實現短路協調保護。

此外，其他負載（如艏側推、起重機及定位絞車等）的容量比主推進小，故斷路器短路瞬時電流設置值也要＜4500A，可實現主發電機與這些負載的短路協調保護。

3.2.2 主母線分斷斷路器與下一級協調保護

1) 主母線與690V/400V變壓器之間通過時間配合實現協調保護。當690V/400V變壓器饋線側出現較大故障電流（≥3375A）時，上下級斷路器不會瞬時分斷，均進入短延時保護過程，由于下級斷路器的短延時時間（ tsd=0.2s）小于上級（tsd=0.3s），故可實現短路協調保護。

2) 主母線與主推進變壓器之間通過時間配合實現協調保護。當主推進饋線側出現較大電流（≥4500A）時，上級斷路器不會瞬時分斷，下級斷路器會在80ms內分斷，故可實現短路協調保護。

此外，其他負載（如艏側推、起重機及定位絞車等）的容量比主推進小，故斷路器短路瞬時電流設置值也要＜4500A，可實現主母線與這些負載的短路協調保護。

4 結 語

某型起重船的航行推進設備和主要施工設備均采用電力驅動，其中主推進、艏側推、起重機和定位錨絞車采用電力變頻驅動，系統短路會給船舶電網的穩定性及安全性帶來極為嚴重的損害。本文針對該船進行協調保護計算分析，可為電力推進船舶電力系統的整體設計提供參考。

【 參 考 文 獻 】

[1] 中國船級社. 船舶電力系統過電流選擇性保護指南[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[2] 王煥文. 船舶電力系統及自動裝置[M]. 北京：科學出版社，2004.