電推船舶變壓器及母線的選擇性保護(hù)設(shè)計分析

鄒明雷，諶 婷，楊 康，黃友橋

電推船舶變壓器及母線的選擇性保護(hù)設(shè)計分析

鄒明雷，諶 婷，楊 康，黃友橋

（武漢南華工業(yè)設(shè)備工程股份有限公司，武漢 430223）

為解決變壓器選擇性保護(hù)指導(dǎo)方法與其斷路器選型的匹配性差、船規(guī)對電推船舶母線保護(hù)及選擇性的指導(dǎo)描述不多的問題，提出了基于廠家選擇性匹配表選型的變壓器選擇性分析方法，及基于低電壓穿越技術(shù)基礎(chǔ)上的母線分段差動保護(hù)作為主保護(hù)、斷路器間時間電流選擇性或區(qū)域選擇性作為后備保護(hù)的母線選擇性分析方法。通過實船測試，采用母線分段差動保護(hù)的方法，提高了母線短路時的選擇性能力，降低了推進(jìn)逆變器的低電壓穿越時間要求。

電推船舶 變壓器選擇性保護(hù) 母線選擇性保護(hù)

0 引言

過載和短路是船舶三相絕緣電力系統(tǒng)中的常見故障，由此可能導(dǎo)致全船失電。對于電力推進(jìn)船舶來說，還可能進(jìn)一步導(dǎo)致船舶失去操縱能力，直至發(fā)生船舶碰撞甚至引發(fā)火災(zāi)的嚴(yán)重后果。因此，依照中國船級社（CCS）《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第四分冊要求，對電力系統(tǒng)的過流故障需要實現(xiàn)選擇性保護(hù)，對于可并聯(lián)連接的發(fā)電機(jī)總?cè)萘看笥?250 kVA 的船舶，要求送審“保護(hù)電器協(xié)調(diào)動作分析書”。2007 年，CCS 頒布了《船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護(hù)指南》，明確了船舶電力系統(tǒng)必須采用選擇性保護(hù)的設(shè)計要求及其實現(xiàn)方法。該《指南》實施后，電力系統(tǒng)的安全性得到了進(jìn)一步提升。不過在實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)在變壓器的選擇性保護(hù)上存在照搬規(guī)范條款與實際斷路器選型存在匹配偏差的問題，同時由于《指南》中對電推船舶母線的選擇性保護(hù)方面沒有較多的闡述，造成部分設(shè)計人員對其的理解上存在一定的不足。

1 變壓器的選擇性保護(hù)設(shè)計

依照《指南》中的要求，電力變壓器需要配置過載和短路保護(hù)裝置，用來反應(yīng)變壓器繞組、引出線及套管上的短路故障。在常見的電能單一流向的樹形船舶電力網(wǎng)中，這些地方發(fā)生短路故障時，保護(hù)動作使變壓器原邊側(cè)的開關(guān)跳閘，以保護(hù)變壓器。其作用是：

1）在變壓器低壓負(fù)荷側(cè)母線發(fā)生短路時，避開流過保護(hù)裝置的最大短路電流；

2）在變壓器空載投入時，避開其勵磁涌流。

斷路器因其分?jǐn)嘈阅芸煽糠€(wěn)定，優(yōu)于熔斷器，因此船舶電力系統(tǒng)的保護(hù)和開合控制上基本全部采用斷路器。由于受到成本、設(shè)定容量及分?jǐn)嗄芰Φ鹊亩嘀叵拗担行⌒痛皠恿ψ儔浩鞯谋Ｗo(hù)裝置一般僅限于采用塑殼斷路器來實現(xiàn)。

依據(jù)《指南》中的要求，電力變壓器的原邊斷路器需要與下級母線負(fù)載斷路器之間具備選擇性保護(hù)，同時依據(jù)《指南》中的指導(dǎo)思想，其原邊斷路器需要具備包括短延時保護(hù)在內(nèi)的二段或三段保護(hù)功能，并具備能夠承受短延時設(shè)定時間范圍內(nèi)流過此位置的最大短路熱應(yīng)力而無損傷的能力。從規(guī)范的角度看，就需要選用B類型斷路器。但實際上，無論是Schneider、ABB還是SIEMENS雖然其630 A以下斷路器可選配電子脫扣器，能夠提供三段保護(hù)功能，但其對應(yīng)型式認(rèn)可證書上明確標(biāo)明的依然是A類，這是由于其I測試及實驗環(huán)境沒能完全滿足相應(yīng)的GB，IEC的實驗規(guī)范導(dǎo)致的。

鑒于此，需要轉(zhuǎn)換思路，從A類斷路器的角度重新考慮選擇性問題。當(dāng)前船級社對于能量脫口選擇性關(guān)系還存在一些質(zhì)疑，但認(rèn)同實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，因此需要從各斷路器制造商提供的選擇性匹配表進(jìn)行選型。因船用電力變壓器通常都為降壓類型，因此上級電流小于下級電流將更有利于選擇性關(guān)系的實現(xiàn)。選型的原則為：

1）上下級斷路器各自的分?jǐn)嗄芰σ笥谄漭敵龆硕搪窌r流經(jīng)其的1/2周期時的最大對稱短路電流I；

2）根據(jù)選擇性匹配表，上下級斷路器滿足完全選擇性的最大允許短路電流應(yīng)大于下級斷路器輸出端短路時的最大對稱短路電流I。

對于上級斷路器，可選用單磁式脫扣器MA，同時采用合適的熱繼電器修正過載保護(hù)。最終的保護(hù)曲線可參見圖1所示：

圖1 變壓器選擇性保護(hù)曲線示例

2 母線的選擇性保護(hù)設(shè)計

2.1 常規(guī)母線保護(hù)設(shè)計

母線是電力系統(tǒng)中的重要組成部分。當(dāng)母線發(fā)生故障時，將使連接在故障母線上的所有元件在修復(fù)故障母線期間，或在轉(zhuǎn)換到另一組無故障的母線上運行以前被迫停電。對于電力推進(jìn)船舶來說，整個母線電壓的喪失，將導(dǎo)致推進(jìn)控制系統(tǒng)停止運行，進(jìn)而可能導(dǎo)致船舶發(fā)生碰撞、引發(fā)火災(zāi)等重大事故。因此對于常規(guī)的設(shè)置有聯(lián)絡(luò)開關(guān)的單母線船舶，包括具備DP2，DP3附加標(biāo)志的電推船舶系統(tǒng)，在重要工況下可采用自動分區(qū)供電的方式規(guī)避可能的因單一母線故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰問題，從設(shè)計成本及系統(tǒng)運行風(fēng)險角度考慮，這是最簡單的一種方法。

但從船舶運營經(jīng)濟(jì)性角度來說，母聯(lián)斷開不利于整體四臺機(jī)組輸出電能的綜合優(yōu)化調(diào)度，同時也降低了機(jī)組間的多重備用能力，因此，在實際的電推船舶電力系統(tǒng)設(shè)計上，在成本允許的情況下，通過優(yōu)化相關(guān)斷路器和電子脫扣器的保護(hù)設(shè)定，或者采用區(qū)域選擇性聯(lián)鎖等方法亦可實現(xiàn)在單一母線短路時，發(fā)電機(jī)斷路器和母線聯(lián)絡(luò)斷路器的選擇性保護(hù)。

2.2 優(yōu)化斷路器、電子脫扣器選型及設(shè)定的母線保護(hù)設(shè)計

當(dāng)發(fā)電機(jī)組配置相同，且數(shù)量較為對稱時，通過選擇合適的發(fā)電機(jī)組及母線聯(lián)絡(luò)斷路器的框架類型和電子脫扣器型號，進(jìn)行相應(yīng)的匹配設(shè)定，在單一母線故障時，可通過時間配合技術(shù)實現(xiàn)母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)與發(fā)電機(jī)組斷路器的選擇性匹配關(guān)系。

圖2 對稱母線參考圖

以對稱母線參考圖為例，如圖2所示，四臺同功率發(fā)電機(jī)組，配置有同廠同系類型號的斷路器和電子脫扣器。考慮到發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)短路電流一般大于其3倍額定電流值（I），當(dāng)前市面上的電子脫扣器短延時電流整定值都是從1.5倍斷路器框架值起始的非連續(xù)性設(shè)定。從時間電流曲線看，母線聯(lián)絡(luò)斷路器與發(fā)電機(jī)斷路器之間具備短路選擇性保護(hù)的條件是，其短延時時間要小于發(fā)電機(jī)斷路器的時間設(shè)定，其短延時電流整定要不大于發(fā)電機(jī)斷路器的電流設(shè)定。因此，在選型時，母線聯(lián)絡(luò)斷路器的框架值一般要選擇不大于發(fā)電機(jī)斷路器框架值的2倍，同時母線聯(lián)絡(luò)斷路器的短延時最大分?jǐn)鄷r間要小于發(fā)電機(jī)斷路器短延時的最小可返回時間，則可實現(xiàn)相應(yīng)的上下級選擇性保護(hù)。其匹配曲線參考參見圖3。

圖3 優(yōu)化選型的母線選擇性保護(hù)曲線示例

2.3 區(qū)域選擇性聯(lián)鎖的母線保護(hù)設(shè)計

區(qū)域選擇性聯(lián)鎖是通過對短路電流的方向判斷，由近故障點斷路器向所有遠(yuǎn)故障點斷路器發(fā)出閉鎖保護(hù)信號，從而抑制上級斷路器脫扣的方法實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)橫向及上下級斷路器之間的選擇性保護(hù)。采用區(qū)域選擇性聯(lián)鎖的配電系統(tǒng)，既保證了上下級間的選擇性，又大大縮短了系統(tǒng)承受短路故障電流的時間。

船舶電力系統(tǒng)大多為樹形結(jié)構(gòu)，分支較多，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，區(qū)域選擇性聯(lián)鎖更常用于母線段的保護(hù)，在設(shè)計上可考慮整個區(qū)域范圍內(nèi)，短延時時間參數(shù)設(shè)定保持一致，例如通常發(fā)電機(jī)保護(hù)短延時設(shè)定為400~600 ms，則可將所有發(fā)電機(jī)斷路器及母線聯(lián)絡(luò)斷路器的短延時都設(shè)定為400 ms，通過信號聯(lián)絡(luò)實現(xiàn)近故障點斷路器優(yōu)先脫扣。其聯(lián)鎖保護(hù)可參見圖4。

圖4 區(qū)域選擇性聯(lián)鎖參考圖

區(qū)域選擇性聯(lián)鎖在復(fù)雜船舶電力網(wǎng)絡(luò)上更能體現(xiàn)出其優(yōu)勢，在此不做過多展開。

對于電推船舶電力系統(tǒng)，各機(jī)組并網(wǎng)運行時，當(dāng)發(fā)生單一母線故障后，發(fā)電機(jī)組進(jìn)入強(qiáng)勵模式以維持輸出電壓穩(wěn)定，故障點電壓瞬時跌落為零，并沿短路饋送線路的逆向提升，其電壓值與分布阻抗占比成線性關(guān)系。對于非故障側(cè)，母線電壓跌幅較大，可能低至推進(jìn)變頻器的最低運行電壓以下。當(dāng)前國內(nèi)較多的中小型電推船舶電力系統(tǒng)僅考慮了分區(qū)供電或者母線選擇性，對于故障期間系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析還稍有不足。大型電推船舶一般采用低電壓穿越技術(shù)來實現(xiàn)推進(jìn)變頻器對螺旋槳的持續(xù)控制，應(yīng)用有源阻尼控制與弱磁控制結(jié)合的方法使推進(jìn)電機(jī)在電壓跌落期間保持運轉(zhuǎn)，其穿越能力與儲能電容大小、故障切除時間及相關(guān)的控制算法有關(guān)。

為降低推進(jìn)變頻器的選型難度，提高系統(tǒng)故障處理能力，可引入陸用電力系統(tǒng)已經(jīng)成熟應(yīng)用的母線差動保護(hù)概念和裝置。

2.4 母線差動保護(hù)設(shè)計

對于電推電力系統(tǒng)，從綜合性價等方面考慮，直接供電推進(jìn)系統(tǒng)的母線電壓都略高于日用負(fù)載，相對母線負(fù)載支路較少，有利于設(shè)置母線差動保護(hù)。

母線差動保護(hù)多采用比率制動型差動保護(hù)，針對母線各分段設(shè)置獨立小差，僅用以區(qū)分母線分段內(nèi)外故障，采用具有比率制動特性的分相電流差動算法，其動作方程為：

I>I，I>KI

當(dāng)滿足上式的動作方程時，判為分段母線內(nèi)部故障，母線保護(hù)動作，瞬時脫開本段母線上的所有在線發(fā)電機(jī)斷路器和母線聯(lián)絡(luò)斷路器。同時斷路器原有的利用短延時時間配合或者區(qū)域選擇性聯(lián)鎖的保護(hù)可作為后備保護(hù)保留。從整體上綜合提高在單一母線故障時，電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和推進(jìn)供電的持續(xù)性。

通過在某電推船舶上加裝母線分段差動保護(hù)進(jìn)行測試，單一母線故障后，整體母線聯(lián)絡(luò)斷路器分?jǐn)鄷r間可控制在50 ms以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于區(qū)域選擇性聯(lián)鎖和斷路器時間電流選擇性的400~600 ms，大幅降低了推進(jìn)逆變器的故障穿越時間要求，提高了母線的選擇性能力。

3 結(jié)論

船舶電力系統(tǒng)的選擇性保護(hù)設(shè)計是在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時必不可少的環(huán)節(jié)，對電力系統(tǒng)的安全運行甚至整個船舶的安全都有著至關(guān)重要的作用。特別是隨著電力推進(jìn)在各類船舶上得到更多的應(yīng)用，船舶電力系統(tǒng)將變得越來越龐大，因而安全性的要求也將越來越高。本文針對變壓器及母線的選擇性保護(hù)設(shè)計方法進(jìn)行了分析，希望能對設(shè)計人員起到一定的啟發(fā)作用。

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Analysis of Selective Protection for Transformers and Buses of Electric Propulsion Ships

Zou Minglei, Chen Ting, Yang Kang, Huang Youqiao

(Wuhan Nanhua Industrial Engineering Co., Ltd, Wuhan 430223, China)

U665.12

A

1003-4862（2019）10-0054-04

2019-2-20

鄒明雷（1978-），工程師。研究方向：船舶電站及自動化。E-mail：zouml@whnhi.com