船舶大功率应急负载启动方式选择

曹征宇，周 婷

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

根据SOLAS定义，装有用作非主推进的、总输出功率大于等于375kW的内燃机处所为A类机械处所[1]，该处所需配置固定式水基灭火等消防措施，势必增加造船成本，因此常规货船通常选择功率小于375kW的应急发电机。但是，随着船舶的大型化，舵机越来越大。此外，根据高膨胀率泡沫灭火系统规范MSC.327(90)的要求，泡沫必须在10min内注满最大保护空间[2]，应急消防泵的排量随之增大。由于应急电站的容量有限，加上作为重要应急负载的舵机和应急消防泵的容量不断增加，使得启动大功率应急负载时对电网的冲击较为突出。该问题一般有2种解决方案，即增大应急发电机的容量和降低负载的启动电流。

当发电机原动机的功率大于等于375kW时，应急发电机室将被定义为A类机械处所，会造成一系列的成本增加。例如：将应急发电机的容量从300kW增大至360kW，增加的费用包含应急发电机和CO2消防等产生的费用。因此，考虑采用合理选择负载启动方式以降低启动电流的方案，有效降低船舶造价。

1 大功率应急负载启动需考虑的问题

1.1 瞬态电压降

交流发电机突加负载时，由于漏抗和电枢反应，使得发电机的电压急剧下降，对发电机、用电设备和整个电力系统的运行都不利。电网的电压下降使得其电流增大，电动机发热，电动机的转矩与电压的平方成正比，若电压下降10%，则电动机的转矩下降为原来的80%，照明灯具的光通量下降70%（白炽灯）。若电压继续下降，则电力系统的继电保护装置会动作，断开配电系统或发电机的进线开关，造成供电中断[3]。

规范规定，当应急发电机突加负载导致发电机端电压下降时，其瞬态电压值不低于额定电压的85%，而电压恢复至与最后稳定值相差4%以内所需时间不应超过5s[4]。

1.2 负载启动力矩

在给处于停止状态的交流异步电动机施加电压的瞬间，交流异步电动机产生的转矩称为电动机启动转矩。交流异步电动机在全压状态下的瞬间启动转矩通常为额定转矩的125%以上。

根据异步电动机的转动原理，电磁转矩与每极磁通和转子感应电流成正比，而每极磁通和转子感应电流又与电源电压成正比。因此，转矩与电源电压的平方成正比，电源电压下降对电动机的启动性能影响最大。例如，若电源电压降为原来的80%，则启动转矩只有原启动转矩的64%，因此在低电压状态下，电动机启动特别困难。由此，在采用降压启动方式时，有必要校核启动力矩是否大于泵所需的启动转矩。

1.3 应急发电机突加特性

为增强对重要设备供电的连续性，对舵机和应急消防泵等重要负载采用欠电压释放（Under Voltage Release, UVR），当主电网失电，应急发电机投入使用，电压恢复之后，采用欠电压释放的重要负载，失电之前正在运行的负载能自动接通电源再启动，可能出现同时接入很大负载导致瞬态压降过大的情况，甚至造成发电机过载保护装置动作，因此需校核应急发电机的突加特性。为保证供电质量，规范规定，当发电机在空载状态下突然加上50%的额定负荷，稳定之后再加上余下50%的额定负荷时，其瞬时调速率不大于额定转速的10%，稳定调速率不大于额定转速的5%，恢复稳定时间（即转速恢复到波动率为±1%范围的时间）不超过5s[5]。一般大型货船的应急发电机的容量在200～300kW，突加采用二次加载的方式，即分2次加载到满载。

因此，选择好负载启动方式之后，有必要校核应急发电机的突加特性，确保每次加载的启动功率不超过应急发电机能承受的加载功率。

1.4 保护装置的协调性

电动机全压启动时电流较大，一般为额定电流的5～7倍，若采用星-三角和自耦变压器启动，还要考虑降压与全压转换瞬间因断电而产生的冲击电流，以及启动时不能引起负载过载的保护动作。应急发电机的容量较小，可能会超过应急发电机瞬动保护的设定值，引起保护装置动作，引发应急发电机直接跳闸的事故。因此，不仅要考虑使负载的保护装置避开启动瞬间的冲击电流，而且要考虑使应急发电机开关的瞬动值大于负载启动的冲击电流。

综上所述，在选择大功率负载启动方式时，首先根据负载启动的瞬态压降选择电机的启动方式，再校核负载的启动力矩、应急发电机的突加能力和保护装置的协调性，只有综合考虑，才能设计出较优的方案。

2 案例分析

以某大型船舶应急消防泵启动方式的选择为例，其应急发电机参数见表1，大功率应急负荷参数见表2。

表1 应急发电机参数

表2 大功率应急负荷参数

2.1 负载瞬态电压降计算

当直接启动大功率负载会对电网产生冲击，造成瞬时电压降超过规范规定的15%时，就要采取降压启动方式。瞬态电压降采用负载启动电流的方法计算，计算式[6]为

式(1)中：ΔU为发电机瞬态电压降，%；Xd′为发电机直轴瞬态电抗(标幺值)；Xd′为发电机直轴次瞬态电抗（标幺值）；IN为发电机额定电流，A；IST为电动机启动电流，A。

电动机启动电流IST与电动机的启动方式有关，直接启动、星-三角和自耦变压器启动的启动系统的计算式为

式(2)中：K1为电动机启动电流倍数；d为启动方式系数，直接启动为1，星-三角启动为，自耦变压器启动为变压器抽头；Ie为电动机额定电流，A；软启动和变频启动根据厂家提供的启动电流倍数计算。

由于软启动的价格一般是星-三角启动和自耦变压器启动的3倍，变频启动又比软启动贵3倍，通常在选择启动方式时优先考虑采用星-三角启动和自耦变压器启动方式。瞬态压降计算结果见表3。

表3 瞬态压降计算结果

由表1可知，星-三角启动和自耦变压器50%抽头都能满足小于15%瞬态压降的要求。但是，星-三角启动瞬态压降接近15%，且星型转成三角型的瞬间有短时断电过程，会产生更大的冲击电流，因此考虑选用50%抽头的自耦变压器启动方式。

2.2 启动力矩校核

初步选定降压启动方式之后，还需校核启动力矩是否满足泵对启动转矩的需求。根据厂家提供的应急消防泵转速与扭矩曲线（见图1），可得应急消防泵启动转矩必须大于120N·m。

图1 厂家提供的应急消防泵转速与扭矩曲线

根据电动机额定转矩计算式计算应急消防泵额定转矩TN，有

式(3)中：TN为电动机额定转矩，N·m；PN为电动机额定功率，kW；nN为电动机额定转速，r/min。

一般用途电动机的启动转矩约为额定转矩的1.1倍。降压之后的启动转矩的计算式[7]为

计算得到降压之后的启动力矩大于应急消防泵启动需要的启动转矩。

2.3 应急发电机突加能力校核

2.3.1 应急负载顺序启动分级

根据船级社规范的规定和负载的重要程度设定顺序启动分级和启动时间如下。

1) 第一级（0s之后）：舵机、航行信号灯、导航设备和应急发电机室风机。

2) 第二级（5s之后）：应急消防泵和机舱高泡泵。

3) 第三级（10s之后）：舵机舱风机。

2.3.2 启动功率和稳态功率计算

顺序启动分级之后，要计算每一级的启动功率。先计算每一级的启动电流，电动机的启动电流可根据式(2)计算，其他负载的启动电流等于额定电流。在计算每一级的启动电流时，不仅要考虑第n级的启动电流，而且应考虑第（n-1）级的基本电流，并用矢量进行计算[8]，计算式为

式(5)中：ISTn为第n级的启动电流；Ibe(n-1)为第（n-1)级的基本电流有功分量；Isen为第n级的启动电流有功分量；Ibr(n-1)为（n-1)级的基本电流无功分量；Isrn第n级的启动电流无功分量。启动功率P的计算式为

式(6)中：cosφ为功率因数。

各级启动功率和稳态功率计算结果见表4。

表4 各级启动功率和稳态功率计算结果

2.3.3 每级顺序启动瞬态压降计算

计算出每一级的总启动电流之后，根据式(1)可计算顺序启动的每一级瞬态压降，结果见表5。

表5 顺序启动每一级瞬态压降计算结果

2.3.4 应急发电机调速特性检验

顺序启动每一级的启动功率如表4所示，以稳态功率为横坐标，以启动功率为纵坐标，绘制顺序启动负荷曲线，并将其与应急发电机突加特性曲线0-80%-100%相比较，结果见图2。顺序启动负荷曲线不应超过应急发电机突加特性曲线。

图2 顺序启动负荷曲线

目前，美国船级社（American Bureau of Shipping, ABS）和法国船级社（Bureau Veritas, BV）要求应急消防泵采用欠电压释放，其他船级社接受应急消防泵采用失压保护（Under Voltage Protect, UVP），若采用失压保护, 应急消防泵可等应急电网稳定之后启动，此时可不校核应急发电机的突加特性。

2.4 保护装置协调性校核

2.4.1 与应急发电机过载保护的配合

顺序启动每级启动电流应小于应急发电机断路器过载保护整定值。通常用电流系数表示[9]，即

式(7)中：KI为电流系数；IST为启动电流；ISET为断路器过载保护整定电流。

应急发电机断路器过载保护整定电流为发电机额定电流的110%，而长延时脱扣器在电流为其整定值的115%时(608.5A)，延时20s动作。因此，电流系数不大于115%为佳。

断路器长延时脱扣器整定电流为：IN×1.1 =529.1A 。顺序启动电流系数计算结果见表6。

表6 顺序启动电流系数计算结果

计算结果最好小于115% (608.5A)。进一步分析，即使大于115% (608.5A)，由于启动时间通常在5～7s，长延时脱扣器要延时20s，还不会动作，也可实现按时间原则的配合。

2.4.2 与应急发电机断路器的配合

当选用星-三角启动和自耦变压器启动时，要考虑降压与全压转换时瞬间再启动产生的冲击电流。负载断路器瞬时脱扣器整定值必须大于电动机启动冲击电流有效值；同时，注意要小于上位应急发电机断路器的瞬动值。

应急发电机断路器的瞬动值设定为：IN×16 =7 696 A。

应急消防泵根据启动方式，自耦变压器启动50%抽头，启动功率因数为0.35，查阅船舶设计实用手册可知，启动冲击电流是直接启动电流的2.07倍[10]。表7为保护装置配合。

表7 保护装置配合

3 结 语

随着船舶日益大型化，大功率应急负载启动对电网的冲击尤为突出，若在选型方面缺乏科学、合理的方法，仅凭经验选型会导致机组整体性能不符合要求，或配置过高而增加成本。

在实际选型时，要根据厂家的技术参数，通过合理分析运算，经济地选择机组型号。同时，为保证船舶的安全性，要反复就上文提到的内容进行校核，对电网的冲击进行论证，并采取保护措施。可通过改变大功率负载的启动方式或增大应急发电机的容量综合评估，从而挑选出最佳设计。该论证方法同样适用于船舶主发电机和大功率负载启动方式的选择，对类似问题的处理有一定的参考意义。