某型40 m级巡逻艇电力系统选择性保护设计

王小军

（海军装备部，北京100841）

1 引言

随着船舶不断向自动化、多功能化和节能化方向发展，船舶电力系统的供电质量、连续性和可靠性将直接影响船舶的经济运行和生命力。船舶电气设备应设有合适的保护装置，当船舶电力系统在某处发生故障时通过保护装置的选择性作用，确保对非故障电路特别是包含重要设备的非故障电路的连续供电，并且通过保护装置及时切除故障线路，限制故障范围。

本文以某型40 m级出口巡逻艇为例，通过计算电力系统短路电流进行电力系统选择性保护分析，对整个电力系统进行保护设计，以有效降低事故的影响，最大限度地保证船舶电站的正常运行，确保船舶航行安全。

2 船舶概述

某型40 m级出口巡逻艇配置2台128 kW的柴油发电机，交流电力系统采用AC415V、50 Hz,按照中国船级社《水面舰艇入级规范》进行设计。根据规范要求：可并联连接的发电机总容量大于250 kVA的舰艇，需要对电力系统选择性协调动作进行分析，保证迅速切除所有短路故障、发生故障时选择性动作、最大限度地保证供电连续性。该型艇的电力系统选择性保护设计，需要考虑可并联发电机之间、主发电机与以下各级之间、主电力和总用变压器之间、隔离开关与发电机之间的过电流即过载和短路保护协调动作。

3 电力系统简介

本艇交流电力系统采用AC415V、50 Hz、三相三线，电源配置2台柴油发电机（DG1和DG2），短路电流最大工况为2台发电机并网运行，最小工况为1台发电机运行。

本艇配电系统由主配电板、总用充放电板、机舱充放电板、无线电充放电板、岸电箱、各类分配电箱及驾控台的配电组件等构成，对全艇AC415 V、AC220 V、DC24 V用电进行控制。

本艇在集控室设主配电板一座，由发电机控制屏、负载屏组成，主配电板内使用的发电机主开关及保护装置均采用施耐德品牌，其具有电流长延时、短延时、逆功率及欠压脱扣保护等功能；主配电板与岸电联锁，发电机与岸电不能同时供电；主配电板与总用充放电板联锁，主电源失电时低压应急照明自动投入，主配电板具有逆功率保护功能。在发电机并联运行时，当发电机逆功率大于12.8 kV A时发电机主开关脱扣；主配电板设风油遥切按钮线路，在火灾情况下可切断风机、油泵线路，主配电板设有自动电站管理系统。

本系统保护设备按短路电流计算结果进行选择，本系统保护设备协调性分析按电流和时间选择性原则进行分析，发电机保护采用框架式断路器+电子脱扣器（长延时、短延时和瞬时保护）。

4 短路电流工况分析

短路是船舶电力系统最常见且造成破坏最严重的故障之一。计算短路电流，可以给船舶电力系统制定继电保护策略、选择电气设备、校验用电设备稳定性和开关分断能力提供必要的数据，因此准确计算短路电流对船舶电力系统意义重大。船舶电力系统较陆上电力系统容量小，但其短路电流值相对较大，除远离发电机的区域外，同一故障点在不同工况下的短路电流值是变化的。电力系统各级保护电器处可能出现的最大短路电流和最小短路电流，是进行电力系统保护协调性分析的依据。

本艇在航行工况下，由1台柴油发电机对电网负载供电：柴油发电机DG1、DG2的额定功率均为160 kVA，电动机和发电机的额定电压及额定频率均为AC415 V和50 Hz；变压器额定功率为50 kV A、额定电压为415/230 V。

在计算最大短路电流时应计及最大负载工况下所有可能并联连接于主汇流排的发电机的电动机的短路电流。按照中国船级社《钢制海船入级规范》电力系统的短路电流计算的要求，本艇在航行中出现最大短路电流工况时各处的短路电流计算结果见表1；最小短路电流工况时各处的短路电流计算结果见表2。

表1 最大短路电流计算结果

表2 最小短路电流计算结果

在各工况短路电流计算的基础上，进行选择性保护设计，以保证对重要设备的供电连续性及可靠性。因此，对于本艇部分断路器选型结果，如表3所示。

表3 部分断路器选型结果

5 具有代表性的选择性保护元件的选型和整定

依据最大及最小短路电流计算结果进行选择性保护分析，再根据发电机端短路电流衰减曲线、各保护元件的时间电流特性曲线来确定各保护元件的选型和整定。

5.1 发电机之间及以下各级之间的保护元件的选型和整定

发电机端短路电流衰减曲线，如图1所示。

图1 发电机端短路电流衰减曲线

主发电机之间的短路选择性保护，采用保护发电机断路器的瞬时保护；主柴油机(DG1和DG2)主断路器电流瞬时动作值，整定为Ii=4 kA，其值大于发电机端短路电流（Ipg/）的1.2倍，满足《船舶电力系统过电流选择性保护指南》的要求，可实现这部分的短路选择性保护。

主发电机与以下各级之间的短路选择性保护，发电机长延时保护的电流整定值取发电机额定电流的135%～150%，断路器在15～30 s之间动作；短延时保护的始动电流整定值，取发电机额定电流的200%～250%，延时时间应小于等于0.4 s。

5.2 主发电机断路器与船用冷水机组主断路器的选型与整定

主发电机断路器与船用冷水机组主断路器时间电流特性曲线，如图2所示。

图2 断路器时间电流特性曲线

主发电机断路器与船用冷水机组主断路器的选型与整定表，如表4所列。

表4 主发电机断路器与船用冷水机组主断路器的选型与整定表

表4中A、B对应断路器均采用了STD保护。主发电机断路器的INST整定值Ii=4kA，大于发电机端短路电流（Ipg/）的1.2倍；断路器短延时设定动作的最大可返回时间为350 ms（设定为0.4 s时）、最大全分断时间为70 ms（设定为0.02 s时）；上一级断路器的可返回时间大于下一级断路器的最大全分断时间，故可实现完全选择性保护。

5.3 主发电机断路器与消防总用泵主断路器的选型与整定

主发电机断路器与日用照明变压器初级断路器、厨房分电箱主断路器、厨房分电箱内最大负载断路器时间电流特性曲线，如图3所示。

图3 断路器时间电流特性曲线

主发电机断路器与日用照明变压器初级断路器、厨房分电箱主断路器、厨房分电箱内最大负载断路器的选型与整定表，如表5所列。

表5 主发电机与日用照明变压器、厨房分电箱断路器选型与整定表

表5中A、B对应断路器均采用了STD保护。断路器短延时设定动作的最大可返回时间为350 ms（设定为0.4 s时）、最大全分断时间为220 ms （设定为0.2 s时）；上一级断路器的可返回时间大于下一级断路器的最大全分断时间，故可以实现完全选择性保护；日用照明变压器初级断路器瞬动设定Ii=2.4 kA，大于副边短路电流峰值折算至原边的值（Ii=1.2*（230/415）*Ip230 V/=1.53 kA），满足选择性保护要求，即上级断路器B:NSX160F Micrologic 5.2A和下级断路器C:iC65N D50在短路时可以满足下级断路器优先脱扣，故B、C对应断路器可以实现完全选择性保护。由图1至图3按时间-电流选择性原则，在发生相同过载、短路电流时，下一级断路器优先于上一级断路器动作，故本曲线所分析保护元件符合完全选择性要求.综合表1至表5和图1至图3的曲线以及相关备注说明可知，本艇所选用保护元件符合完全选择性的要求。

6 结束语

过电流故障对船舶电力系统有很大的危害，由此可能会引发电气事故甚至发生火灾，危及船舶及人身安全。本文通过对船舶交流系统过电流选择性保护的设计，校验了断路器及参数整定的合理性，为船舶电力系统的设计提供了可靠的依据。