船舶低壓同步發電機繼電保護裝置的設計

牛海春+劉曉玲

摘 要：發電機是船舶電站的核心，保護發電機免受損壞是確保船舶電站正常工作的前提。文章針對發電機在工作過程中可能會出現的外部短路、過載、欠壓及逆功率等異常狀況或故障，進行了合理的繼電保護設計。

關鍵詞：發電機；繼電保護；船舶電站

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.132

1 前言

發電機在工作時可能會出現的不正常運行狀態主要有：輸出功率超過發電機額定功率而造成的過載；發電機外部短路、并車操作不當或者有大負載起動等造成的過電流；負載投入或切除電網造成電壓和頻率的波動，偏離額定值；發電機并聯運行時，可能出現的逆功率等。針對不同情況，必須對發電機設置保護裝置。

2 船舶同步發電機的過載保護

在船舶電力系統的工作過程中，當發電機的輸出功率低于負載的需求時，或并聯工作的發電機組間功率分配不均時，或并聯運行的機組中存在因故障停止供電的發機組時，這些情況都會使發電機過載，造成發電機功率超出額定值。發電機長時間在超出額定功率的狀態下運行，會使絕緣老化，甚至造成發電機損壞。

目前用于低壓同步發電機的過載保護方式是保護裝置與自動分級卸荷裝置相結合。當發電機輸出功率超出額定值，即過載時，首先由自動分級卸荷裝置依次將不重要的用電設備切除，并且用聲光報警的形式提醒工作人員，但是若延時已到，過載還沒有消除，過載保護動作，開關跳閘發電機退出電網。船舶發電機過載保護裝置的動作值可以整定如下：

過載保護裝置的動作值Iop應該大于正常工作時發電機的額定值IgN，介于過載保護裝置的動作值Iop和返回值Ire間或許會存在誤差，因此可靠性系數Krel>1，即：

對于過載保護， Krel一般取值1～1.3； Kre一般取值0.7～0.9。因此，過載保護設備的起動電流值一般為（1.25～1.5）IgN。本文設計的船舶低壓同步發電機過載保護用斷路器內部的過流脫扣器完成。當過載現象發生時，通過長延時后開關自動跳閘，發電機脫離電網。

3 船舶同步發電機的外部短路保護

發電機外部短路將使其輸出電流遠遠超過額定電流，對電網及負載有很大的影響，將導致電網電壓大幅度降低，負載不能正常工作，嚴重時會造成發電機主開關跳閘，船舶電網失電。本文設計的船舶低壓同步發電機外部短路保護用斷路器內部的過流脫扣器來完成。當發生短路故障時，在瞬時或短延時后，過電流脫扣瞬間動作，開關跳閘，發電機退出電網。發電機短路保護參數整定如下：

依據發電機短路保護裝置的動作電流要高于它的額定電流IgN，并且返回電流Ire要高于用電設備自啟動電流原則，Ire可寫成：

對于短路保護，可靠性系數Krel一般取值1.4～1.6；Kre一般取值0.5～0.9；自啟動系數Ks一般取值1.3～1.8。將各系數代入上式得起動電流Iop1為（2～5）IgN 。

4 發電機的欠壓保護

當船舶發電機出現外部短路故障或嚴重過載等情況，會導致它的端電壓下降，嚴重時會致使用電設備無法安全工作，這對發電機和用電設備都是不利的。因此，船舶發電機應設置欠壓保護。當船舶電力系統中有大的負載啟動時，會導致發電機端電壓下降，但這是暫時的，欠壓保護裝置不應動作。因此，船舶同步發電機的欠壓保護應延時。

本文設計的船舶低壓同步發電機欠壓保護由斷路器中的失壓脫扣線圈來完成。當線路電壓低于整定值時，失壓脫扣器瞬時動作，開關跳閘，發電機脫離電網。

規范要求：發電機欠壓保護裝置如果有延時功能，要求保護裝置動作整定值為發電機額定電壓值的75%～85%，延時時間為1.6～2.5s，發電機保護動作；如果沒有延時功能，要求發電機欠壓保護裝置的動作整定值為（35%～70%）UN， 發電機瞬時保護跳閘，脫離電網。

5 發電機的逆功率保護

發電機的逆功率不僅意味著有功功率不輸出，而且有功功率也被從電網中吸收。同步發電機并網操控失誤或者并聯工作的機組中有的機組發生故障等情況均可產生逆功率。此時，并聯運行的其他正常發電機可能由于過載而跳閘，從而導致整個船舶喪失功率的風險。但是當機組在非同步條件下進行并網操作時，在許可限制內的短時間逆功率利于將機組并入電網，這時逆功率保護不應動作。因此，要求逆功率保護具有一定的時限。規范要求：并聯運行機組必須設置3～8s延時動作的逆功率保護，保護裝置的設定值一般為發電機額定值的4%～11%。

本文設計的船舶低壓同步發電機逆功率保護是由逆功率繼電器和斷路器中的分勵脫扣器配合完成的。當發電機向系統輸送功率時，繼電器不動作；當發電機發生逆功率時，繼電器動作，接通自動空氣斷路器的分勵線圈，通過分勵脫扣器使發電機跳閘。

6 結論

本文結合船級社規范、國際公約和相關標準，首先闡述了船舶發電機保護的必要性，然后針對船舶低壓同步發電機在工作過程中可能會出現的異常狀況或故障，進行了合理的繼電保護設計。本文的研究對于普通低壓同步發電機保護的設計具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]朱麗娟.船舶電力系統設計簡介[J].科技創新與應用，2014（18）：128-129.

[2]孫武.船舶短路電流計算方法的研究及其應用[J].船電技術，2000（05）：12-17.

作者簡介：牛海春（1985-），女，碩士，講師，主要研究方向：船舶電氣控制。endprint