大容量发电船的电气保护技术

刘 峰, 李荣宗, 王志辉

(1.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135; 2.南通中远船务工程有限公司，江苏 南通 226000)

0 引 言

随着全球经济的快速发展，电力需求迅速增长，电力供给缺口日益增大。由于投资传统的热电厂具有周期长、基础设施要求高和投资回报慢等缺点，使得发电船的需求日益旺盛。与传统的陆上发电厂相比，发电船具有建造效率高和建成投产周期短等特点，同时能最大限度地减少土地占用面积，且无需大量基础配套设施，具有快速部署和灵活应用的优势，不仅能为其所在的城市或岛屿供电，而且能通过电力网络将电力输送至其他需要用电的地方。因此，近年来发电船成为快速填补电力缺口的首要选择。本文主要以200 MW发电船研究课题为背景，对电气保护技术进行分析。

1 发电船概况

发电船(见图1)装有成套的发电设备和输电设备，可作为可移动的水上电站,主要用来为近水域工业区、海岛或其他船舶供电，亦可为近岸中小型城市供电。发电船主要通过长期系泊在码头、内河或岛礁沿岸，为港口船舶和急需电力供应的岛礁供电，同时可作为沿海中小型城市电网的补充，或通过电网将电力输送到内陆地区。

图1 发电船示意

本文所述发电船以液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)为燃料，发电功率约为200 MW。该船的艏艉各设置有1个机舱和配电室，均布置有10台发电机组和相应的配电板，每台发电机组的额定功率约为10 MW，额定电压为11 kV，频率为50 Hz，这样艏艉区域分别可提供的发电功率约为100 MW。发电船侧视图见图2。

图2 发电船侧视图

2 发电船电气保护技术

近年来，随着发电船的电力系统容量逐步增大，电压等级逐渐升高，高压电力系统得到越来越广泛的应用。同时，结合船舶规范和电力行业规范的综合应用，发电船电气保护技术研究已取得一定的成效，但在设计和使用过程中仍有一些问题需重点关注，主要体现在以下几个方面。

2.1 中性点接地保护

继电保护设置既可考虑电流互感器的变比和流入保护回路的电流大小，又可按照《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB/T 14285—2006)的规定，在发生单相接地故障时将流经电阻的电流限制在5 A以下[1]，选择合适的阻值。

根据DNV GL《船舶入级规范》的规定,系统中性点通过一个电阻接地，其电阻值等于或稍小于单相对地之间容抗值的1/3；根据IEEE Std C62.92.1—2000中给出的高电阻接地方式对过电压的抑制试验，若使过电压水平抑制在2.6倍正常值以下，则接地电阻的阻值必须小于系统容抗值。综合上述要求，接地电阻的值Rn[2]一般取为

(1)

式(1)中:Co为系统对地电容；Xcn为系统对地容抗；ω为角速度，ω=2πf(f为频率)。

根据式(1)计算出接地电阻的接近值，再结合《继电保护和安全自动装置技术规程》规定的故障电流允许值，即可得到合适的接地电阻阻值。发电船中性点接地保护示意见图3。

图3 发电船中性点接地保护示意

2.2 差动保护

当发电机内部发生短路故障时，会形成很大的冲击电流，产生的强大电弧会烧毁定子绕阻绝缘，甚至可能引发火灾，后果非常严重。对于该情况,一般采用差动保护，可解决定子接地或定子绕组间的短路问题。显然,设置发电机内部故障保护系统是很有必要的。

差动保护是利用基尔霍夫电流定理实现的，一般包含发电机差动保护和变压器差动保护，二者的基本原理是一致的，即各侧或各元件的电流互感器按差接法接线。

发电机差动保护的区域一般包括发电机绕组和发电机至断路器的电缆。由基尔霍夫电流定律可知:当该差动保护系统正常运行时,发电机绕组电流I1与外部线路电流I2的瞬时值之差为零;当该系统发生内部短路故障时，I1与I2的差值不为零，这样就可断开发电机主开关并消磁，使发电机停止运行。发电机差动保护示意见图4。

图4 发电机差动保护示意

在考虑两端电流互感器的测量范围和测量误差、发生外部故障时保护区域内提供的电容和电流等误差因素之后，通常采用具有制动特性的比率差动保护。差动保护继电器的最小动作电流整定值一般作以下设定。

1) 对于发电机差动保护，发电机差动保护继电器的最小动作电流IG.min应大于发电机正常运行时的最大不平衡电流，在工程设计中一般取为

(2)

式(2)中：nCT为电流互感器变比；InG为发电机额定电流。

2) 对于变压器差动保护,根据系统保护需要，大容量变压器可采用差动保护，并推荐采用具有比率制动特性的差动保护，其差动保护继电器的最小动作电流IT.min的计算式可表示为

(3)

式(3)中：nCT为电流互感器变比；InT为变压器额定电流。

2.3 继电器保护

当配电系统发生故障时，必须有相应的自动保护装置对其进行保护，或将故障部分及时地从系统中切除，以保证非故障部分继续工作；同时，发出报警信号，以便值班人员检查并采取消除故障的措施，降低或消除事故的影响。自动保护装置大多是由继电器及其附属装置构成的，故称继电器保护装置。

继电器保护装置是基于电流增大而动作的原理工作的，要求符合时间原则并构成阶段式保护，具有简单、可靠的特点，一般能满足快速消除故障的要求，因此在电力系统中得到广泛应用。目前船舶电力系统保护通常包括过载保护、短路保护、电压保护、逆功保护、频率保护和三相不平衡保护等，通常基于电流原则和时间原则来达到选择性保护的要求。

3 发电船输送电系统保护

发电船在对外输送电力时，通常需通过提升电压来降低输电电流，从而达到减少输送电线路、降低功率损耗和与受电区域变电所电压相匹配的目的。由于发电船输送电的容量大、电压高，在设计输送电系统时需考虑以下内容。

3.1 输送电线路

发电船输电上岸的线路方案通常有电缆输送和架空线输送2种,其中:电缆输送简单、方便、安全，但输送容量小，且成本高，在小容量输送领域应用较多；架空线输送容量大，在陆地上应用广泛，但在船上应用较少。由于发电船的发电容量较大，电缆输送已无法满足其容量要求，因此在大容量发电船上引入陆地上广泛采用的架空线输送方式。这里主要介绍架空线输送电线路在发电船上的应用。

高压架空线路主要指架空明线，是用绝缘子将输电导线固定在直立于地面的杆塔(电杆和铁塔的总称)上，用以传输电能的输电线路。架空线主要由导线、避雷线、杆塔、绝缘子和金具等原件组成,由于导线的安装高度较高,且通常安装在空旷区域，一般均需增设防雷装置。导线是架空线路的主要组成部分，其主要功能是传导电流、输送电能；避雷线架设在导线的上方并接地，故又称为架空地线，主要作用是将雷电电流引入大地；绝缘子是一种隔电部件，主要作用是使导线与导线之间和导线与大地之间绝缘。绝缘子应具有良好的电气性能和机械性能；导线和避雷线架设在露天环境内，不仅要有良好的导电性能，而且要有良好的耐热性能、机械性能和抗腐蚀性能。架空线的导线主要分为铝绞线、钢芯铝绞线、铜绞线和防腐钢芯铝绞线等4种[3]，可根据实际作业区域的环境情况选择合适的导线。

3.2 避雷保护

发电船的作业区域一般都比较偏远、空旷，有的作业区域甚至环境比较恶劣；而架空线的架设高度较高，且是暴露在旷野环境中的，遭受雷击的概率比较大。因此，结合规范、电网的电压等级、负荷的重要性和作业环境情况，为发电船及电力输送线路选择合适的防雷击保护装置是很有必要的。

防雷击保护装置一般以避雷针和避雷线为主，二者的工作原理相似。避雷针主要以保护一定范围内的建筑物为主；避雷线主要用于保护架空线路免受雷击。避雷线安装在导线上方，并直接接地，用于降低雷击导线的概率，保证线路的安全。

避雷线保护范围的计算方法与避雷针相似，具体如下。

1) 单根避雷线保护范围(见图5)的计算方法可由以下计算式确定[4]。

(1) 当hx≥h/2时，每侧保护范围的宽度的计算式为

rx=0.47(h-hx)P

(4)

(2) 当hx

rx=(h-1.53hx)P

(5)

2) 2根等高平行避雷线的保护范围(见图6)可按单根避雷线的计算方法确定。

(1) 2根避雷线间各横截面的保护范围应由通过2根避雷线及其保护范围边缘最低点O的圆弧确定，O点的高度的计算式为

hO=h-D/(4P)

(6)

式(6)中：hO为2根避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度,m；D为2根避雷线间的距离,m。

(2) 2根避雷线端部的外侧保护范围根据单根避雷线保护范围计算。2根避雷线间端部的保护最小宽度bx应按以下方法确定。

① 当hx≥h/2时，bx应按公式计算，即

bx=0.47(hO-hx)P

(7)

② 当hx

bx=(hO-1.53hx)P

(8)

4 结 语

随着全球经济的飞速发展，电力需求不断增长，结合市场需求和发电船的机动性和经济性，未来发电船的容量会越来越大，中高压配电系统和陆用技术在船上应用将常态化，发电船的安全性要求将进一步提高。本文根据发电船容量大、电压高的特点，结合船舶规范和行业规范等方面的要求，对发电船的接地保护、差动保护、继电保护、防雷保护和架空线输送电保护等电气保护技术进行了研究分析，为后续研制电气保护装置奠定了基础，有助于提高发电船的适用性和安全性。