船舶大功率應急負載啟動方式選擇

曹征宇，周 婷

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

根據SOLAS定義，裝有用作非主推進的、總輸出功率大于等于375kW的內燃機處所為A類機械處所[1]，該處所需配置固定式水基滅火等消防措施，勢必增加造船成本，因此常規貨船通常選擇功率小于375kW的應急發電機。但是，隨著船舶的大型化，舵機越來越大。此外，根據高膨脹率泡沫滅火系統規范MSC.327(90)的要求，泡沫必須在10min內注滿最大保護空間[2]，應急消防泵的排量隨之增大。由于應急電站的容量有限，加上作為重要應急負載的舵機和應急消防泵的容量不斷增加，使得啟動大功率應急負載時對電網的沖擊較為突出。該問題一般有2種解決方案，即增大應急發電機的容量和降低負載的啟動電流。

當發電機原動機的功率大于等于375kW時，應急發電機室將被定義為A類機械處所，會造成一系列的成本增加。例如：將應急發電機的容量從300kW增大至360kW，增加的費用包含應急發電機和CO2消防等產生的費用。因此，考慮采用合理選擇負載啟動方式以降低啟動電流的方案，有效降低船舶造價。

1 大功率應急負載啟動需考慮的問題

1.1 瞬態電壓降

交流發電機突加負載時，由于漏抗和電樞反應，使得發電機的電壓急劇下降，對發電機、用電設備和整個電力系統的運行都不利。電網的電壓下降使得其電流增大，電動機發熱，電動機的轉矩與電壓的平方成正比，若電壓下降10%，則電動機的轉矩下降為原來的80%，照明燈具的光通量下降70%（白熾燈）。若電壓繼續下降，則電力系統的繼電保護裝置會動作，斷開配電系統或發電機的進線開關，造成供電中斷[3]。

規范規定，當應急發電機突加負載導致發電機端電壓下降時，其瞬態電壓值不低于額定電壓的85%，而電壓恢復至與最后穩定值相差4%以內所需時間不應超過5s[4]。

1.2 負載啟動力矩

在給處于停止狀態的交流異步電動機施加電壓的瞬間，交流異步電動機產生的轉矩稱為電動機啟動轉矩。交流異步電動機在全壓狀態下的瞬間啟動轉矩通常為額定轉矩的125%以上。

根據異步電動機的轉動原理，電磁轉矩與每極磁通和轉子感應電流成正比，而每極磁通和轉子感應電流又與電源電壓成正比。因此，轉矩與電源電壓的平方成正比，電源電壓下降對電動機的啟動性能影響最大。例如，若電源電壓降為原來的80%，則啟動轉矩只有原啟動轉矩的64%，因此在低電壓狀態下，電動機啟動特別困難。由此，在采用降壓啟動方式時，有必要校核啟動力矩是否大于泵所需的啟動轉矩。

1.3 應急發電機突加特性

為增強對重要設備供電的連續性，對舵機和應急消防泵等重要負載采用欠電壓釋放（Under Voltage Release, UVR），當主電網失電，應急發電機投入使用，電壓恢復之后，采用欠電壓釋放的重要負載，失電之前正在運行的負載能自動接通電源再啟動，可能出現同時接入很大負載導致瞬態壓降過大的情況，甚至造成發電機過載保護裝置動作，因此需校核應急發電機的突加特性。為保證供電質量，規范規定，當發電機在空載狀態下突然加上50%的額定負荷，穩定之后再加上余下50%的額定負荷時，其瞬時調速率不大于額定轉速的10%，穩定調速率不大于額定轉速的5%，恢復穩定時間（即轉速恢復到波動率為±1%范圍的時間）不超過5s[5]。一般大型貨船的應急發電機的容量在200～300kW，突加采用二次加載的方式，即分2次加載到滿載。

因此，選擇好負載啟動方式之后，有必要校核應急發電機的突加特性，確保每次加載的啟動功率不超過應急發電機能承受的加載功率。

1.4 保護裝置的協調性

電動機全壓啟動時電流較大，一般為額定電流的5～7倍，若采用星-三角和自耦變壓器啟動，還要考慮降壓與全壓轉換瞬間因斷電而產生的沖擊電流，以及啟動時不能引起負載過載的保護動作。應急發電機的容量較小，可能會超過應急發電機瞬動保護的設定值，引起保護裝置動作，引發應急發電機直接跳閘的事故。因此，不僅要考慮使負載的保護裝置避開啟動瞬間的沖擊電流，而且要考慮使應急發電機開關的瞬動值大于負載啟動的沖擊電流。

綜上所述，在選擇大功率負載啟動方式時，首先根據負載啟動的瞬態壓降選擇電機的啟動方式，再校核負載的啟動力矩、應急發電機的突加能力和保護裝置的協調性，只有綜合考慮，才能設計出較優的方案。

2 案例分析

以某大型船舶應急消防泵啟動方式的選擇為例，其應急發電機參數見表1，大功率應急負荷參數見表2。

表1 應急發電機參數

表2 大功率應急負荷參數

2.1 負載瞬態電壓降計算

當直接啟動大功率負載會對電網產生沖擊，造成瞬時電壓降超過規范規定的15%時，就要采取降壓啟動方式。瞬態電壓降采用負載啟動電流的方法計算，計算式[6]為

式(1)中：ΔU為發電機瞬態電壓降，%；Xd′為發電機直軸瞬態電抗(標幺值)；Xd′為發電機直軸次瞬態電抗（標幺值）；IN為發電機額定電流，A；IST為電動機啟動電流，A。

電動機啟動電流IST與電動機的啟動方式有關，直接啟動、星-三角和自耦變壓器啟動的啟動系統的計算式為

式(2)中：K1為電動機啟動電流倍數；d為啟動方式系數，直接啟動為1，星-三角啟動為，自耦變壓器啟動為變壓器抽頭；Ie為電動機額定電流，A；軟啟動和變頻啟動根據廠家提供的啟動電流倍數計算。

由于軟啟動的價格一般是星-三角啟動和自耦變壓器啟動的3倍，變頻啟動又比軟啟動貴3倍，通常在選擇啟動方式時優先考慮采用星-三角啟動和自耦變壓器啟動方式。瞬態壓降計算結果見表3。

表3 瞬態壓降計算結果

由表1可知，星-三角啟動和自耦變壓器50%抽頭都能滿足小于15%瞬態壓降的要求。但是，星-三角啟動瞬態壓降接近15%，且星型轉成三角型的瞬間有短時斷電過程，會產生更大的沖擊電流，因此考慮選用50%抽頭的自耦變壓器啟動方式。

2.2 啟動力矩校核

初步選定降壓啟動方式之后，還需校核啟動力矩是否滿足泵對啟動轉矩的需求。根據廠家提供的應急消防泵轉速與扭矩曲線（見圖1），可得應急消防泵啟動轉矩必須大于120N·m。

圖1 廠家提供的應急消防泵轉速與扭矩曲線

根據電動機額定轉矩計算式計算應急消防泵額定轉矩TN，有

式(3)中：TN為電動機額定轉矩，N·m；PN為電動機額定功率，kW；nN為電動機額定轉速，r/min。

一般用途電動機的啟動轉矩約為額定轉矩的1.1倍。降壓之后的啟動轉矩的計算式[7]為

計算得到降壓之后的啟動力矩大于應急消防泵啟動需要的啟動轉矩。

2.3 應急發電機突加能力校核

2.3.1 應急負載順序啟動分級

根據船級社規范的規定和負載的重要程度設定順序啟動分級和啟動時間如下。

1) 第一級（0s之后）：舵機、航行信號燈、導航設備和應急發電機室風機。

2) 第二級（5s之后）：應急消防泵和機艙高泡泵。

3) 第三級（10s之后）：舵機艙風機。

2.3.2 啟動功率和穩態功率計算

順序啟動分級之后，要計算每一級的啟動功率。先計算每一級的啟動電流，電動機的啟動電流可根據式(2)計算，其他負載的啟動電流等于額定電流。在計算每一級的啟動電流時，不僅要考慮第n級的啟動電流，而且應考慮第（n-1）級的基本電流，并用矢量進行計算[8]，計算式為

式(5)中：ISTn為第n級的啟動電流；Ibe(n-1)為第（n-1)級的基本電流有功分量；Isen為第n級的啟動電流有功分量；Ibr(n-1)為（n-1)級的基本電流無功分量；Isrn第n級的啟動電流無功分量。啟動功率P的計算式為

式(6)中：cosφ為功率因數。

各級啟動功率和穩態功率計算結果見表4。

表4 各級啟動功率和穩態功率計算結果

2.3.3 每級順序啟動瞬態壓降計算

計算出每一級的總啟動電流之后，根據式(1)可計算順序啟動的每一級瞬態壓降，結果見表5。

表5 順序啟動每一級瞬態壓降計算結果

2.3.4 應急發電機調速特性檢驗

順序啟動每一級的啟動功率如表4所示，以穩態功率為橫坐標，以啟動功率為縱坐標，繪制順序啟動負荷曲線，并將其與應急發電機突加特性曲線0-80%-100%相比較，結果見圖2。順序啟動負荷曲線不應超過應急發電機突加特性曲線。

圖2 順序啟動負荷曲線

目前，美國船級社（American Bureau of Shipping, ABS）和法國船級社（Bureau Veritas, BV）要求應急消防泵采用欠電壓釋放，其他船級社接受應急消防泵采用失壓保護（Under Voltage Protect, UVP），若采用失壓保護, 應急消防泵可等應急電網穩定之后啟動，此時可不校核應急發電機的突加特性。

2.4 保護裝置協調性校核

2.4.1 與應急發電機過載保護的配合

順序啟動每級啟動電流應小于應急發電機斷路器過載保護整定值。通常用電流系數表示[9]，即

式(7)中：KI為電流系數；IST為啟動電流；ISET為斷路器過載保護整定電流。

應急發電機斷路器過載保護整定電流為發電機額定電流的110%，而長延時脫扣器在電流為其整定值的115%時(608.5A)，延時20s動作。因此，電流系數不大于115%為佳。

斷路器長延時脫扣器整定電流為：IN×1.1 =529.1A 。順序啟動電流系數計算結果見表6。

表6 順序啟動電流系數計算結果

計算結果最好小于115% (608.5A)。進一步分析，即使大于115% (608.5A)，由于啟動時間通常在5～7s，長延時脫扣器要延時20s，還不會動作，也可實現按時間原則的配合。

2.4.2 與應急發電機斷路器的配合

當選用星-三角啟動和自耦變壓器啟動時，要考慮降壓與全壓轉換時瞬間再啟動產生的沖擊電流。負載斷路器瞬時脫扣器整定值必須大于電動機啟動沖擊電流有效值；同時，注意要小于上位應急發電機斷路器的瞬動值。

應急發電機斷路器的瞬動值設定為：IN×16 =7 696 A。

應急消防泵根據啟動方式，自耦變壓器啟動50%抽頭，啟動功率因數為0.35，查閱船舶設計實用手冊可知，啟動沖擊電流是直接啟動電流的2.07倍[10]。表7為保護裝置配合。

表7 保護裝置配合

3 結 語

隨著船舶日益大型化，大功率應急負載啟動對電網的沖擊尤為突出，若在選型方面缺乏科學、合理的方法，僅憑經驗選型會導致機組整體性能不符合要求，或配置過高而增加成本。

在實際選型時，要根據廠家的技術參數，通過合理分析運算，經濟地選擇機組型號。同時，為保證船舶的安全性，要反復就上文提到的內容進行校核，對電網的沖擊進行論證，并采取保護措施。可通過改變大功率負載的啟動方式或增大應急發電機的容量綜合評估，從而挑選出最佳設計。該論證方法同樣適用于船舶主發電機和大功率負載啟動方式的選擇，對類似問題的處理有一定的參考意義。