电推船舶变压器及母线的选择性保护设计分析

邹明雷，谌 婷，杨 康，黄友桥

电推船舶变压器及母线的选择性保护设计分析

邹明雷，谌 婷，杨 康，黄友桥

（武汉南华工业设备工程股份有限公司，武汉 430223）

为解决变压器选择性保护指导方法与其断路器选型的匹配性差、船规对电推船舶母线保护及选择性的指导描述不多的问题，提出了基于厂家选择性匹配表选型的变压器选择性分析方法，及基于低电压穿越技术基础上的母线分段差动保护作为主保护、断路器间时间电流选择性或区域选择性作为后备保护的母线选择性分析方法。通过实船测试，采用母线分段差动保护的方法，提高了母线短路时的选择性能力，降低了推进逆变器的低电压穿越时间要求。

电推船舶 变压器选择性保护 母线选择性保护

0 引言

过载和短路是船舶三相绝缘电力系统中的常见故障，由此可能导致全船失电。对于电力推进船舶来说，还可能进一步导致船舶失去操纵能力，直至发生船舶碰撞甚至引发火灾的严重后果。因此，依照中国船级社（CCS）《钢质海船入级规范》第四分册要求，对电力系统的过流故障需要实现选择性保护，对于可并联连接的发电机总容量大于 250 kVA 的船舶，要求送审“保护电器协调动作分析书”。2007 年，CCS 颁布了《船舶电力系统过电流选择性保护指南》，明确了船舶电力系统必须采用选择性保护的设计要求及其实现方法。该《指南》实施后，电力系统的安全性得到了进一步提升。不过在实际应用中，发现在变压器的选择性保护上存在照搬规范条款与实际断路器选型存在匹配偏差的问题，同时由于《指南》中对电推船舶母线的选择性保护方面没有较多的阐述，造成部分设计人员对其的理解上存在一定的不足。

1 变压器的选择性保护设计

依照《指南》中的要求，电力变压器需要配置过载和短路保护装置，用来反应变压器绕组、引出线及套管上的短路故障。在常见的电能单一流向的树形船舶电力网中，这些地方发生短路故障时，保护动作使变压器原边侧的开关跳闸，以保护变压器。其作用是：

1）在变压器低压负荷侧母线发生短路时，避开流过保护装置的最大短路电流；

2）在变压器空载投入时，避开其励磁涌流。

断路器因其分断性能可靠稳定，优于熔断器，因此船舶电力系统的保护和开合控制上基本全部采用断路器。由于受到成本、设定容量及分断能力等的多重限值，中小型船舶动力变压器的保护装置一般仅限于采用塑壳断路器来实现。

依据《指南》中的要求，电力变压器的原边断路器需要与下级母线负载断路器之间具备选择性保护，同时依据《指南》中的指导思想，其原边断路器需要具备包括短延时保护在内的二段或三段保护功能，并具备能够承受短延时设定时间范围内流过此位置的最大短路热应力而无损伤的能力。从规范的角度看，就需要选用B类型断路器。但实际上，无论是Schneider、ABB还是SIEMENS虽然其630 A以下断路器可选配电子脱扣器，能够提供三段保护功能，但其对应型式认可证书上明确标明的依然是A类，这是由于其I测试及实验环境没能完全满足相应的GB，IEC的实验规范导致的。

鉴于此，需要转换思路，从A类断路器的角度重新考虑选择性问题。当前船级社对于能量脱口选择性关系还存在一些质疑，但认同实验数据结果，因此需要从各断路器制造商提供的选择性匹配表进行选型。因船用电力变压器通常都为降压类型，因此上级电流小于下级电流将更有利于选择性关系的实现。选型的原则为：

1）上下级断路器各自的分断能力要大于其输出端短路时流经其的1/2周期时的最大对称短路电流I；

2）根据选择性匹配表，上下级断路器满足完全选择性的最大允许短路电流应大于下级断路器输出端短路时的最大对称短路电流I。

对于上级断路器，可选用单磁式脱扣器MA，同时采用合适的热继电器修正过载保护。最终的保护曲线可参见图1所示：

图1 变压器选择性保护曲线示例

2 母线的选择性保护设计

2.1 常规母线保护设计

母线是电力系统中的重要组成部分。当母线发生故障时，将使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间，或在转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电。对于电力推进船舶来说，整个母线电压的丧失，将导致推进控制系统停止运行，进而可能导致船舶发生碰撞、引发火灾等重大事故。因此对于常规的设置有联络开关的单母线船舶，包括具备DP2，DP3附加标志的电推船舶系统，在重要工况下可采用自动分区供电的方式规避可能的因单一母线故障而导致的系统崩溃问题，从设计成本及系统运行风险角度考虑，这是最简单的一种方法。

但从船舶运营经济性角度来说，母联断开不利于整体四台机组输出电能的综合优化调度，同时也降低了机组间的多重备用能力，因此，在实际的电推船舶电力系统设计上，在成本允许的情况下，通过优化相关断路器和电子脱扣器的保护设定，或者采用区域选择性联锁等方法亦可实现在单一母线短路时，发电机断路器和母线联络断路器的选择性保护。

2.2 优化断路器、电子脱扣器选型及设定的母线保护设计

当发电机组配置相同，且数量较为对称时，通过选择合适的发电机组及母线联络断路器的框架类型和电子脱扣器型号，进行相应的匹配设定，在单一母线故障时，可通过时间配合技术实现母线联络开关与发电机组断路器的选择性匹配关系。

图2 对称母线参考图

以对称母线参考图为例，如图2所示，四台同功率发电机组，配置有同厂同系类型号的断路器和电子脱扣器。考虑到发电机组稳态短路电流一般大于其3倍额定电流值（I），当前市面上的电子脱扣器短延时电流整定值都是从1.5倍断路器框架值起始的非连续性设定。从时间电流曲线看，母线联络断路器与发电机断路器之间具备短路选择性保护的条件是，其短延时时间要小于发电机断路器的时间设定，其短延时电流整定要不大于发电机断路器的电流设定。因此，在选型时，母线联络断路器的框架值一般要选择不大于发电机断路器框架值的2倍，同时母线联络断路器的短延时最大分断时间要小于发电机断路器短延时的最小可返回时间，则可实现相应的上下级选择性保护。其匹配曲线参考参见图3。

图3 优化选型的母线选择性保护曲线示例

2.3 区域选择性联锁的母线保护设计

区域选择性联锁是通过对短路电流的方向判断，由近故障点断路器向所有远故障点断路器发出闭锁保护信号，从而抑制上级断路器脱扣的方法实现区域内横向及上下级断路器之间的选择性保护。采用区域选择性联锁的配电系统，既保证了上下级间的选择性，又大大缩短了系统承受短路故障电流的时间。

船舶电力系统大多为树形结构，分支较多，从经济角度考虑，区域选择性联锁更常用于母线段的保护，在设计上可考虑整个区域范围内，短延时时间参数设定保持一致，例如通常发电机保护短延时设定为400~600 ms，则可将所有发电机断路器及母线联络断路器的短延时都设定为400 ms，通过信号联络实现近故障点断路器优先脱扣。其联锁保护可参见图4。

图4 区域选择性联锁参考图

区域选择性联锁在复杂船舶电力网络上更能体现出其优势，在此不做过多展开。

对于电推船舶电力系统，各机组并网运行时，当发生单一母线故障后，发电机组进入强励模式以维持输出电压稳定，故障点电压瞬时跌落为零，并沿短路馈送线路的逆向提升，其电压值与分布阻抗占比成线性关系。对于非故障侧，母线电压跌幅较大，可能低至推进变频器的最低运行电压以下。当前国内较多的中小型电推船舶电力系统仅考虑了分区供电或者母线选择性，对于故障期间系统的稳定性分析还稍有不足。大型电推船舶一般采用低电压穿越技术来实现推进变频器对螺旋桨的持续控制，应用有源阻尼控制与弱磁控制结合的方法使推进电机在电压跌落期间保持运转，其穿越能力与储能电容大小、故障切除时间及相关的控制算法有关。

为降低推进变频器的选型难度，提高系统故障处理能力，可引入陆用电力系统已经成熟应用的母线差动保护概念和装置。

2.4 母线差动保护设计

对于电推电力系统，从综合性价等方面考虑，直接供电推进系统的母线电压都略高于日用负载，相对母线负载支路较少，有利于设置母线差动保护。

母线差动保护多采用比率制动型差动保护，针对母线各分段设置独立小差，仅用以区分母线分段内外故障，采用具有比率制动特性的分相电流差动算法，其动作方程为：

I>I，I>KI

当满足上式的动作方程时，判为分段母线内部故障，母线保护动作，瞬时脱开本段母线上的所有在线发电机断路器和母线联络断路器。同时断路器原有的利用短延时时间配合或者区域选择性联锁的保护可作为后备保护保留。从整体上综合提高在单一母线故障时，电力系统的电压稳定性和推进供电的持续性。

通过在某电推船舶上加装母线分段差动保护进行测试，单一母线故障后，整体母线联络断路器分断时间可控制在50 ms以内，远远小于区域选择性联锁和断路器时间电流选择性的400~600 ms，大幅降低了推进逆变器的故障穿越时间要求，提高了母线的选择性能力。

3 结论

船舶电力系统的选择性保护设计是在进行系统设计时必不可少的环节，对电力系统的安全运行甚至整个船舶的安全都有着至关重要的作用。特别是随着电力推进在各类船舶上得到更多的应用，船舶电力系统将变得越来越庞大，因而安全性的要求也将越来越高。本文针对变压器及母线的选择性保护设计方法进行了分析，希望能对设计人员起到一定的启发作用。

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Analysis of Selective Protection for Transformers and Buses of Electric Propulsion Ships

Zou Minglei, Chen Ting, Yang Kang, Huang Youqiao

(Wuhan Nanhua Industrial Engineering Co., Ltd, Wuhan 430223, China)

U665.12

A

1003-4862（2019）10-0054-04

2019-2-20

邹明雷（1978-），工程师。研究方向：船舶电站及自动化。E-mail：zouml@whnhi.com