艦船電力系統保護性能測試分析

(91404部隊91分隊，河北 秦皇島 066001)

艦船電力系統保護性能對艦船生命力起著非常重要的作用。目前艦船電力系統保護研究主要集中在艦船研制階段保護方案的設計[1-2]，或用各種優化方法函數網絡模型進行保護策略優化評估[3- 9]。然而，用戶更關心的是實船電力系統保護性能測試結果，而不是概率統計值。新型艦船在建造完成交付用戶使用前，需由軍方對其保護性能進行鑒定。為此，從新型艦船電力系統各分系統組成角度分析實船測試保護指標及相關試驗方法，將系統保護概念具體化直觀化，形成一套完整的測試方案，并應用于某型艦船性能鑒定工作。

1 艦船電力系統保護測試指標

系統保護設計基本要求必須滿足完全性、快速性、選擇性、靈敏性、可靠性[10]。本文除了考查各級斷路器通斷設定及保護分級設計，還考查系統運行過程中故障顯示報警保護功能。及故障后自處理能力。以某艦船電力系統組成(圖1)為例，對保護指標進行分析。

1.1 發電功能系統保護

艦船2個電站，每個電站由2臺或3臺發電機組組成。某艦船發電功能系統單線見圖2。

1.1.1 發電機組裝置。

發電機組裝置由柴油機和發電機2部分組成，共列指標37項，見表1。

運行過程中各管路油壓水壓溫度等及動力部件運行指標超出安全范圍的保護功能。指標分開關量和數值量，數值量由機組規格而定。

系統對指標項要有監測報警保護功能，且延伸到規定部位。報警顯示部位有柴油機機旁控制箱、機組裝置主控箱、機組控制器、電站控制器、電力集控臺。

1.1.2 主配電板控制屏

主配電板控制屏由發電機組控制屏、母聯屏、岸電屏、負載屏組成，共列指標23項。

本區域發電機組和主斷路器監測、控制、保護，與其他區發電設備并聯和聯鎖操作，通過岸電屏接入岸電等功能。

表1 發電機組裝置保護報警功能指標

1)主斷路器整定指標列項。主干網各個斷路器包括發電機組斷路器、母聯斷路器、跨接斷路器和岸電斷路器。根據負載及電路設計設定不同整定值，實現主干網絡時間和電流原則保護。設有長延時、短延時、瞬時、預報警，發電機還要設有逆功的保護，除母聯斷路器外還要有欠壓保護。對圖2中的斷路器列項，見表2。

2)發電機組起動運行指標列項。對于機組起動或同步并機運行中出現故障，通過斷路器通斷實現保護，該部分保護在機組控制器、主配電板

表2 斷路器自身動作值設定指標

注：表中Ie為各對應保護設備的額定電流值。試驗時在動作值的±15%內脫口，欠壓設定值在136.5～273.0 V(即35%UN～70%UN)為合格，——表示保密)。

電站控制器和電力集控臺報警顯示共列指標15項，見表3。

表3 機組運行過程保護測試指標

3)匯流排保護指標列項。前后主配電板各設有3個匯流排。設有電壓和頻率越限保護。報警顯示部位在主配電板電站控制器、電力集控臺。共列指標4項，見表4。

表4 主匯流排保護指標

1.2 配電功能系統保護

配電部分保護監控功能在配電網絡各裝設備中實現，按照設備進行指標列項。

1)主配電設備保護指標列項。主配電設備及電能流程見圖3。

主配電設備有2～4級保護，排列順序是：啟動器(或控制箱)(第1級)→分配電箱或負載中心(第2級)((負載中心或大容量區域配電板(第3級)→主配電板負載屏(第4級)。第4級按電流和時間原則，其余3級按電流原則進行保護，分級整定動作電流值。根據不同供電需求采用不同的保護級數，共列指標5項，見表5。

表5 主配電系統保護測試指標

2)事故配電設備保護指標列項。事故配電設備只設短路保護，不設過載保護，通過發電機端應急接插盒內的塑殼斷路器實現短路保護。事故電網保護指標列1項。

3)應急配電網絡保護指標列項。新型艦船對應急配電進行連網，保護分3級，UPS、DC/ DC變換電源配置裝置(第1級)((直流應急配電板(第2級)((蓄電池組出口斷路器(第3級)。應急電力設備所有保護器件均只設置短路瞬時保護，不設置過載保護。列指標3項，見表6。

表6 應急配電網絡保護指標列項

1.3 消磁功能系統指標列項

從消磁電源方面進行保護列項，共列指標6項，見表7。

表7 消磁功能系統

1.4 電力監控功能系統指標列項

系統運行出現故障，電站控制器和配電設備控制器完成控制處理的功能。共列指標6項，見表8。

1.5 電力輔助功能系統

對應急電力設備進行列項。共列指標8項，見表9。

表8 電力監控功能系統保護指標

表9 應急電力設備測試指標

2 艦船電力系統保護測試方法

艦船性能鑒定測試方案要有實用性、系統性、全面性及可行性[11]。鑒定試驗流程見圖3。

結合某型艦船性能鑒定試驗，對指標進行梳理分類，對指標進行測試方法分析。

2.1 機組自身保護報警類指標測試

發電機組自身保護。機組啟動或運行過程中滑油、淡水、海水、排氣相關壓力流量溫度等保護。表1中對應指標。

報警功能采用模擬故障工況，檢查故障保護功能動作正確性和報警信號顯示有效性。壓力試驗通過壓力測試儀給相應壓力傳感器施壓來模擬，溫度傳感器采用標準電阻箱來模擬，開關量直接用短接或斷開線路進行模擬。部分模擬量直接修改采集參數進行模擬。

1)定子繞組熱保護。對發電機端子排斷開PTC(繞組溫度高)的熱敏電阻接線，接入電阻箱，調整電阻使其達到報警，記錄定子繞組熱報警情況。

2)機組滑油壓力低。用壓力鉗打壓滑油壓力傳感器，到LOP1(機旁控制箱)報警消除后，緩慢降低壓力鉗壓力，直到報警，記錄機組滑油壓力低報警情況。

3)機組滑油溫度高。斷開滑油溫度傳感器，接入電阻箱，調整電阻箱阻值，記錄機組滑油溫度高報警情況。

4)機組超速保護試驗。機組超速保護整定范圍為1 695～1 725 r/min，采用模擬方法實現(換算系數0.85)，具體步驟如下：機組起動后，使機組的轉速低于1 440 r/min，按下機組機旁控制箱內“超速試驗”按鈕，然后緩慢升高柴油機轉速至1 466 r/min，期間機組應能應急停機；記錄柴油機控制箱的超速報警、機組嚴重故障報警情況。

5)機組緊急停機試驗。機組啟動后，按動緊急停機按鈕進行停機試驗。在柴油機控制箱、主配電板和電力集控臺分別進行。記錄機組立即停機、機組嚴重故障報警情況。

2.2 發電功能系統各斷路器保護類指標測試

主斷路器開斷和電氣參數超標報警等動作情況。表2～4中對應指標。

通過模擬的方式，使斷路器流經電流電壓頻率功率等達到報警或開斷；傳遞給斷路器對應故障發生時出現模擬信號，檢查并記錄對應斷路器通斷及報警狀況。

1) 欠壓保護檢查。在機組停機過程中，模擬發電機失壓(在主開關合閘情況下停機)，當電壓降至欠壓保護動作值時，發電機主開關應自動分斷。岸電斷路器和跨接斷路器，當電壓降至欠壓保護動作值時，對應主開關應自動分斷。

2) 逆功率保護檢查。反接發電機逆功率繼電器電流輸入信號，緩慢增加負載，模擬進行逆功率動作保護試驗。

3) 斷路器過電流保護試驗。在做發電機主開關過電流保護試驗時，使機組在(80%～90%)PN下運轉，突加無功負載使電流大于發電機主開關和跨接開關過電流長延時考核動作值，并經一定延時時間后跳閘。具有電子脫扣器的主開關可進行模擬試驗。

4) 發電機內部短路保護功能試驗。發電機空載接通發電機主開關，加三相30%左右額定電流的負載，模擬發電機內部短路。半自動情況下發電機滅磁、發電機主開關跳閘、柴油機停機、機組控制器內部短路報警。

2.3 分系統設備保護報警顯示類指標測試

各分系統自身設備保護。如表5～7、表9中對應指標。

線路設計合格，選用斷路器繼電器自身產品合格，判定為整體合格。抽檢部分線路模擬短路，查看該路切斷對同級線路和上級線路的影響。檢查各設備自身報警及顯示功能。

2.4 運行故障處理監控控制類指標測試

電力系統運行出現故障，系統自身調節處理能力。表8對應指標。

電力系統正常運行，通過加減無功電流等方式人為制造相應故障。記錄系統自身動作情況。

1)調頻調載功能。在機組啟動空載運行，并網運行過程中記錄調頻情況。

2)卸載功能試驗。對斷路器整定值進行設計，以2級配電區域控制器卸載試驗為例說明，見表10。

表10 卸載功能試驗

注：以同樣的方式人為模擬XX#機組斷路器電流>110%IGe和人為模擬XX跨接斷路器電流>90%Ike指示與上述判定準則延時不同進行重復試驗。

3)自啟動試驗。負荷增大或故障，機組自啟動，試驗過程見表11。

表11 自啟動功能試驗

4)自動增機及越控增機功能試驗。分別在越控和非越控、單機組、雙機組、三機組運行條件下，增加負載，機組負荷達到設定值時啟動優先級最高的機組并網。記錄相關情況。

5)自動減機及越控減機功能試驗。負載減小時減機，見表12。

表12 自動減機及越控減機功能試驗

3 結論

1)從各分系統角度對艦船電力系統保護性能實船測試進行指標列項，同時又要從全系統角度對運行工況指標列項，重點測試運行故障處理的相關保護。

2)部分保護指標測試具有破環性，測試比較困難，采用模擬電流或信號方式進行。建議在艦船建造階段，對各保護元件本身及設計安裝做好測試，實船測試采信相關結果。

3)所形成的該型號艦船電力系統保護性能測試方案對后續新型艦船用前性能鑒定試驗有借鑒作用。