船舶電力系統主要設計計算要點

盧時俊

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

本文根據相關船級社規范要求、電力系統設計要求及相關計算原理對船舶電力系統設計及開關斷路器選擇，選擇性保護等方面做深入的研究分析。

1 電氣計算的簡介

1.1 短路計算簡介

短路計算、諧波分析、選擇性保護分析等計算是電力系統設計的理論基礎。船舶電力系統發生短路時，可能造成如下破壞：點動力引起的破壞、熱負載引起的破壞和故障電弧引起的破壞等。短路故障可能引起火災，造成全系統不能工作，進而危及船舶安全和人命安全。在船舶電力系統設計時，精確地推算電網中各點的短路電流大小可以合理地選擇保護方式和保護裝置，以保證電力系統發生短路時能夠快速地、有效地切除短路故障，把短路引起的破壞限制在最小限度。

對船舶電力系統設計而言，在初步設計時推算短路電流，用以選擇配電電器（如選擇空氣斷路器）。在電力系統設計基本完成后，計算短路電流用以校核所選用電氣設備的熱穩定性（如配電板匯流排）和電動力穩定性（如主匯流排）、校核所選用保護電器的短路接通能力和短路分斷能力以及為電力系統保護設計提供必要的數據。當保護電器的短路接通能力和短路分斷能力不能滿足要求時，計算短路電流可以為選擇適當的限流設備、將短路電流限制在保護電器的短路通斷能力范圍之內提供依據。因此，應該十分重視船舶電力系統的短路電流計算。由于短路電流計算是船舶電力系統設計的重要內容之一，所以，目前各船級社要求提交送審的圖紙和資料中，都有短路電流計算書。

1.2 諧波計算簡介

諧波計算是基于船舶電力系統各設備參數，運用電氣設備商的專業軟件計算出相關結果，用以校驗電力系統的諧波成分是否滿足船級社的要求。

對周期性交流量進行傅立葉級數分解，得到頻率為基波頻率大于1整數倍的分量即為諧波。

1.2.1 諧波干擾的產生

在電網某一點，諧波畸變取決于以下因素：1）負載類型；2）電纜或導線；3）變壓器聯結方式和阻抗；4）電源阻抗。

諧波源分類如下：

1）電流型諧波源

（1）直流側為阻感負載的整流電路。

（2）單相設備，例如帶調光開關的白熾燈。

（3）三相設備，例如直流調速裝置、中頻/高頻感應電爐和電流型變頻器等。

2）電壓型諧波源

（1）直流側為電容濾波的整流電路。

（2）單相設備，例如IT設備、電視機和電子整流器等。

（3）三相設備，例如交流變頻器、UPS設備等。

1.2.2 諧波的影響

1）諧波的短期影響

（1）保護裝置的誤動作。

（2）諧波電壓干擾電子系統內的控制裝置（可控硅、PLC和繼電保護等）。

（3）對弱電系統的干擾（遠程控制、繼電保護、通訊系統、音響、計算機和電視機等）。

（4）異常的振動及噪聲。

（5）電容器過載導致異常發熱而損壞。

（6）對電度計量及常用儀表指示的影響。

（7）感應式電度表對高次諧波有負的頻率誤差。

2）諧波的長期影響

（1）電源裝置產生過熱（變壓器、發電機）。

（2）機械應力（電動產生脈動轉矩）。

（3）電氣設備長期過熱。

（4）由于集膚效應、磁滯效應產生附加損耗（變壓器、配電導線等）。

（5）金屬部件的腐蝕。

（6）電磁輻射產生干擾。

1.2.3 諧波的治理措施

1）采用無源濾波器。與非線性負載并聯安裝，通過LC支路的串聯諧振，減小支路阻抗，吸收相應次數諧波。

2）采用有源濾波器。向系統注入與諧波幅值相同但相位相反的諧波，從而得到標準的正弦波。

3）采用混合濾波器。無源與有源濾波器的結合使用。

1.3 選擇性保護分析簡介

選擇性保護是指2個或幾個過電流保護裝置之間的動作配合特性，當在給定范圍內出現故障（過載、短路等）時，指定在這個范圍動作的裝置動作，而其他裝置不動作；也就是在配電網絡中某一點發生故障時，配電電器按照預先規定動作的次序有選擇性地脫扣動作，不允許越級脫扣動作，把事故斷電限制在最小范圍內，最大程度保證無故障回路供電的連續性。

選擇性保護原理示意圖如圖1所示。當QF2處發生短路故障時，若其電流超過QF2的脫扣值；當QF2數值小于上級斷路器QF1的脫扣值時，QF2跳閘分斷，而QF1不跳閘，無故障回路QF1和QF3仍能保證供電。

圖1 選擇性保護原理示意圖

1.3.1 選擇性保護的分類

選擇性保護可以分為全選擇性和部分選擇性保護。全選擇性保護是指在下級斷路器規定的極限分斷能力的極限以內，無論何種故障，均由距離故障點最近的斷路器切除；部分選擇性保護是指在一定的故障電流下，可實現上、下級的選擇性，而超過這一故障電流后不具備選擇性保護。

1.3.2 斷路器保護選擇性方式的一般要求

斷路器保護選擇性的方式與配電網特性、供電負荷容量及斷路器配置等因素有關。較大的配電系統，一般可按3級配電來說明。

電源端：在電網回路中，一般都設置總（主）配電盤。其特點是額定電流大，要求斷路器分斷能力高。因為是控制總電源，任何分支配出回路發生故障，不應無選擇性地切斷總電源，須保證選擇性。一般選用具有短路短延時保護的選擇性斷路器。當有特殊要求或與中壓側保護連鎖時，也可采用邏輯選擇性方式。常采用框架式的空氣斷路器（ACB），符合功能要求的大電流塑殼斷路器（MCCB）也可采用。

末端配電：因處于末梢，短路電流一般較小。最末端直接連接用電設備的斷路器，無需選擇性。保護可瞬時脫扣切斷保障，與最末端上級配電斷路器間的配合，宜采用具有限流特性的準延時選擇性方式配合。末端多采用小型短路器（MCB）基本上屬限流性。

中間級配電：從總配電盤至末端配電之間，均為中間級配電。中間級配電可多于1級，但以少為佳。其配電斷路器以采用塑殼斷路器為主，各種選擇性方式均可應用，其中以準延時選擇性、能量選擇性和短路短延時選擇性方式使用最多。

1.3.3 選擇性保護的實現方法

實現選擇性保護的方法有多種，如時間選擇保護、電流選擇保護和能量選擇保護等。低壓配電系統按照故障種類的不同，可分為過載、短路、接地、欠壓或失壓等。因此，選擇性保護的方案選擇需要建立在不同故障情況的前提下。

1）電流選擇性保護

當下級斷路器的動作保護值小于上級斷路器的動作值時，即可實現電流選擇性保護。上、下級斷路器的電流選擇性保護配合如圖2所示。

圖2 上、下級斷路器的電流選擇性保護配合

過載情況下的上、下級配合原則是：上級斷路器的約定不動作電流大于下級斷路器的約定不動作電流。瞬動脫扣特性的上、下級配合的原則是：上級斷路器的瞬動不動作電流大于下級斷路器的短路分段電流峰值。

電流選擇性保護只能實現部分選擇性保護，其選擇極限電流需要小于斷路器不動作電流值。

2）時間選擇性保護

通過上級斷路器較下級斷路器的延時動作來實現選擇性保護。上級斷路器選用具有延時功能的斷路器。

國際電工委員會的IEC標準和我國國家標準按使用類別把斷路器分成A類和B類2種類型，其中A類斷路器在短路情況下，無明確指明其有選擇性保護功能，而B類斷路器則明確指明有選擇性保護功能。對于A類斷路器，在過載區，可以選擇上、下級脫扣曲線不重合或不相交；但在瞬動區，不能避免交叉或者重合。因此，要實現時間選擇性保護，上級必須采用B類短路器（具有短路延時和短時耐受電流能力的斷路器）。時間選擇性保護配合如圖3所示。

圖3 時間選擇性保護配合

3）能量選擇性保護

能量選擇性保護是基于下級斷路器都具有限流能力，并且其脫扣特性能靈敏反應線路中短路能量的一種選擇性保護。當2個斷路器檢測到大電流時，下級斷路器限流非常塊，其限制的能量不足以使上級斷路器脫扣。

2 船級社要求

2.1 船級社對短路保護要求

船舶電力系統一般都以發電機作為主電源，不是無窮大電網，所以，在計算短路電流時，要計及發電機阻抗的影響。

盡管船舶電力系統包括負載的種類很多，但其主要負載是電動機，一般占60%以上，在短路時，旋轉電動機是短路電流供給源。因此，要計及電動機提供的短路電流。由于船舶電站的電壓等級較低，雖然外電路的阻抗較小，但對短路電流的影響較大。因此，在計算短路電流時，必須考慮外電路阻抗的影響。

根據電力系統保護設計的要求，一般應計算以下各處的短路電流：

1）發電機出線端近主配電板處。

2）主匯流排到應急配電板出線端。

3）應急配電板負載出線端。

4）區配電板及分配電板的匯流排負載出線端。

5）電力和照明變壓器次級。

6）電力和照明變壓器供電的分配電板匯流排負載出線端。

7）大電動機的出線端近匯流排處點。

必要時，應計算最小短路電流，例如舵機電動機出線端。

船舶電力系統短路電流計算的目的是為系統保護選定配電設備及其整定值時提供數據，因此，以交流電力系統為例，僅需計算如下幾種短路電流：

1）交流發電機的最大非對稱短路電流。

2）交流發電機的對稱短路電流。

3）交流發電機最小穩態短路電流。

4）保護裝置安裝點的最大非對稱短路電流。

5）保護裝置安裝點的對稱短路電流。

6）斷路器使用場所的最小短路電流。

7）短路功率因數計算。

目前，國際上關于船舶交流電力系統短路電流的計算方法較多，但其共同的特點都是采用近似計算法。所謂近似計算方法包括2層含義：一是作某些假設后進行計算；二是用計算公式描述整個短路過程。

另一個特點是：計算中都考慮短路為三相對稱金屬性短路，并認為非對稱最大峰值是在直流分量的初始值為最大的相位角、交流分量為最大時出現。

第三個特點是：都計算短路后1/2周期的對稱有效值和非對稱最大峰值。

無論采用何種計算方法都應被有關船級社認可。

2.2 DNV 船級社對諧波分析要求

根據DNV-OS-D201, October 2013, Ch.2 Sec.2 1.2.7 有如下要求：

1）Equipment producing transient voltage,frequency and current variations shall not cause malfunction of other equipment on board, neither by conduction, induction or radiation.

設備產生瞬間電壓、頻率和電流變化不會引起其它設備的故障，無論是通過傳導、感應或輻射。

2）In distribution systems the acceptance limits for voltage harmonic distortion shall correspond to IEC61000-2-4 Class 2. (IEC 61000-2-4 Class 2 implies that the total voltage harmonic distortion shall not exceed 8%.) In addition no single order harmonic shall exceed 5%.

配電系統電壓諧波可接受的限制應符合IEC61000-2-4 Class 2。（IEC 61000-2-4 Class 2指出電壓總諧波畸變率不超過8%）另外單次諧波不超過5%。

3）The total harmonic distortion may exceed the values given in b) under the condition that all consumers and distribution equipment subjected to the increased distortion level have been designed to withstand the actual levels. The system andcomponents ability to withstand the actual levels shall be documented.

總諧波可能超過2）所給出的值，只要所有負載和配電設備設計成能夠承受實際諧波也是可以的。但系統和設備能夠承受實際諧波的能力要以文件形式送審。

2.3 CCS 船級社要求

CCS海上移動平臺入級與建造規范2005/第5篇-電氣裝置。

2.3.1 短路選擇性保護

重要設備電路的短路保護應是選擇性保護，并應符合下列規定：

1）在發生短路故障情況下，應保證僅限最接近故障點的保護電器動作切斷故障電路。

2）串聯連接的保護電器的動作時間應仔細協調。

3）在選擇性保護所要求的時間內，保護電器應有能承載其安裝處的短路電流而不分斷的能力。

2.3.2 發電機的保護

應采用能同時分斷所有絕緣極的斷路器作發電機的過載和短路保護，其過載保護應與發電機的熱容量相適應。并應滿足下列要求：

過電流大于50%，但小于發電機的穩態短路電流，經與系統選擇性保護所要求的短暫延時后斷路器應分斷。斷路器的短延時脫扣器建議按如下規定進行整定：始動值為發電機額定電流的200～250%，延時時間：直流最長為0.2 s，交流最長為0.6 s。

2.4 斷路器使用類別

斷路器的使用類別是根據斷路器在短路情況下，是否特別指明用作串聯在負載側的其他斷路器通過人為延時實現選擇性保護而規定。

必須注意適用于2種使用類別的試驗差別，使用類別規定于表1中。

表1 使用類別

3 總結

伴隨著船舶與海洋工程項目電力應用范圍迅速擴大、電力推進系統的逐漸普及、鉆井勘探等大型電力變頻設備的應用，船用電力系統加復雜。電氣系統短路計算、諧波分析和選擇性保護等系統分析計算是電力系統開展設計的重要依據。船廠設計部門需要對廠家完成的電氣系統分析計算的方案、結論進行審核，提前發現問題，規避錯誤，以進一步確保電力系統的安全性和可靠性。在對廠家計算報告的審核過程中，需要對牽涉到船廠施工、調試等環節的部分進行重點分析，以避免生產方返工，并提高生產效率。