船舶电力系统主要设计计算要点

卢时俊

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

本文根据相关船级社规范要求、电力系统设计要求及相关计算原理对船舶电力系统设计及开关断路器选择，选择性保护等方面做深入的研究分析。

1 电气计算的简介

1.1 短路计算简介

短路计算、谐波分析、选择性保护分析等计算是电力系统设计的理论基础。船舶电力系统发生短路时，可能造成如下破坏：点动力引起的破坏、热负载引起的破坏和故障电弧引起的破坏等。短路故障可能引起火灾，造成全系统不能工作，进而危及船舶安全和人命安全。在船舶电力系统设计时，精确地推算电网中各点的短路电流大小可以合理地选择保护方式和保护装置，以保证电力系统发生短路时能够快速地、有效地切除短路故障，把短路引起的破坏限制在最小限度。

对船舶电力系统设计而言，在初步设计时推算短路电流，用以选择配电电器（如选择空气断路器）。在电力系统设计基本完成后，计算短路电流用以校核所选用电气设备的热稳定性（如配电板汇流排）和电动力稳定性（如主汇流排）、校核所选用保护电器的短路接通能力和短路分断能力以及为电力系统保护设计提供必要的数据。当保护电器的短路接通能力和短路分断能力不能满足要求时，计算短路电流可以为选择适当的限流设备、将短路电流限制在保护电器的短路通断能力范围之内提供依据。因此，应该十分重视船舶电力系统的短路电流计算。由于短路电流计算是船舶电力系统设计的重要内容之一，所以，目前各船级社要求提交送审的图纸和资料中，都有短路电流计算书。

1.2 谐波计算简介

谐波计算是基于船舶电力系统各设备参数，运用电气设备商的专业软件计算出相关结果，用以校验电力系统的谐波成分是否满足船级社的要求。

对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量即为谐波。

1.2.1 谐波干扰的产生

在电网某一点，谐波畸变取决于以下因素：1）负载类型；2）电缆或导线；3）变压器联结方式和阻抗；4）电源阻抗。

谐波源分类如下：

1）电流型谐波源

（1）直流侧为阻感负载的整流电路。

（2）单相设备，例如带调光开关的白炽灯。

（3）三相设备，例如直流调速装置、中频/高频感应电炉和电流型变频器等。

2）电压型谐波源

（1）直流侧为电容滤波的整流电路。

（2）单相设备，例如IT设备、电视机和电子整流器等。

（3）三相设备，例如交流变频器、UPS设备等。

1.2.2 谐波的影响

1）谐波的短期影响

（1）保护装置的误动作。

（2）谐波电压干扰电子系统内的控制装置（可控硅、PLC和继电保护等）。

（3）对弱电系统的干扰（远程控制、继电保护、通讯系统、音响、计算机和电视机等）。

（4）异常的振动及噪声。

（5）电容器过载导致异常发热而损坏。

（6）对电度计量及常用仪表指示的影响。

（7）感应式电度表对高次谐波有负的频率误差。

2）谐波的长期影响

（1）电源装置产生过热（变压器、发电机）。

（2）机械应力（电动产生脉动转矩）。

（3）电气设备长期过热。

（4）由于集肤效应、磁滞效应产生附加损耗（变压器、配电导线等）。

（5）金属部件的腐蚀。

（6）电磁辐射产生干扰。

1.2.3 谐波的治理措施

1）采用无源滤波器。与非线性负载并联安装，通过LC支路的串联谐振，减小支路阻抗，吸收相应次数谐波。

2）采用有源滤波器。向系统注入与谐波幅值相同但相位相反的谐波，从而得到标准的正弦波。

3）采用混合滤波器。无源与有源滤波器的结合使用。

1.3 选择性保护分析简介

选择性保护是指2个或几个过电流保护装置之间的动作配合特性，当在给定范围内出现故障（过载、短路等）时，指定在这个范围动作的装置动作，而其他装置不动作；也就是在配电网络中某一点发生故障时，配电电器按照预先规定动作的次序有选择性地脱扣动作，不允许越级脱扣动作，把事故断电限制在最小范围内，最大程度保证无故障回路供电的连续性。

选择性保护原理示意图如图1所示。当QF2处发生短路故障时，若其电流超过QF2的脱扣值；当QF2数值小于上级断路器QF1的脱扣值时，QF2跳闸分断，而QF1不跳闸，无故障回路QF1和QF3仍能保证供电。

图1 选择性保护原理示意图

1.3.1 选择性保护的分类

选择性保护可以分为全选择性和部分选择性保护。全选择性保护是指在下级断路器规定的极限分断能力的极限以内，无论何种故障，均由距离故障点最近的断路器切除；部分选择性保护是指在一定的故障电流下，可实现上、下级的选择性，而超过这一故障电流后不具备选择性保护。

1.3.2 断路器保护选择性方式的一般要求

断路器保护选择性的方式与配电网特性、供电负荷容量及断路器配置等因素有关。较大的配电系统，一般可按3级配电来说明。

电源端：在电网回路中，一般都设置总（主）配电盘。其特点是额定电流大，要求断路器分断能力高。因为是控制总电源，任何分支配出回路发生故障，不应无选择性地切断总电源，须保证选择性。一般选用具有短路短延时保护的选择性断路器。当有特殊要求或与中压侧保护连锁时，也可采用逻辑选择性方式。常采用框架式的空气断路器（ACB），符合功能要求的大电流塑壳断路器（MCCB）也可采用。

末端配电：因处于末梢，短路电流一般较小。最末端直接连接用电设备的断路器，无需选择性。保护可瞬时脱扣切断保障，与最末端上级配电断路器间的配合，宜采用具有限流特性的准延时选择性方式配合。末端多采用小型短路器（MCB）基本上属限流性。

中间级配电：从总配电盘至末端配电之间，均为中间级配电。中间级配电可多于1级，但以少为佳。其配电断路器以采用塑壳断路器为主，各种选择性方式均可应用，其中以准延时选择性、能量选择性和短路短延时选择性方式使用最多。

1.3.3 选择性保护的实现方法

实现选择性保护的方法有多种，如时间选择保护、电流选择保护和能量选择保护等。低压配电系统按照故障种类的不同，可分为过载、短路、接地、欠压或失压等。因此，选择性保护的方案选择需要建立在不同故障情况的前提下。

1）电流选择性保护

当下级断路器的动作保护值小于上级断路器的动作值时，即可实现电流选择性保护。上、下级断路器的电流选择性保护配合如图2所示。

图2 上、下级断路器的电流选择性保护配合

过载情况下的上、下级配合原则是：上级断路器的约定不动作电流大于下级断路器的约定不动作电流。瞬动脱扣特性的上、下级配合的原则是：上级断路器的瞬动不动作电流大于下级断路器的短路分段电流峰值。

电流选择性保护只能实现部分选择性保护，其选择极限电流需要小于断路器不动作电流值。

2）时间选择性保护

通过上级断路器较下级断路器的延时动作来实现选择性保护。上级断路器选用具有延时功能的断路器。

国际电工委员会的IEC标准和我国国家标准按使用类别把断路器分成A类和B类2种类型，其中A类断路器在短路情况下，无明确指明其有选择性保护功能，而B类断路器则明确指明有选择性保护功能。对于A类断路器，在过载区，可以选择上、下级脱扣曲线不重合或不相交；但在瞬动区，不能避免交叉或者重合。因此，要实现时间选择性保护，上级必须采用B类短路器（具有短路延时和短时耐受电流能力的断路器）。时间选择性保护配合如图3所示。

图3 时间选择性保护配合

3）能量选择性保护

能量选择性保护是基于下级断路器都具有限流能力，并且其脱扣特性能灵敏反应线路中短路能量的一种选择性保护。当2个断路器检测到大电流时，下级断路器限流非常块，其限制的能量不足以使上级断路器脱扣。

2 船级社要求

2.1 船级社对短路保护要求

船舶电力系统一般都以发电机作为主电源，不是无穷大电网，所以，在计算短路电流时，要计及发电机阻抗的影响。

尽管船舶电力系统包括负载的种类很多，但其主要负载是电动机，一般占60%以上，在短路时，旋转电动机是短路电流供给源。因此，要计及电动机提供的短路电流。由于船舶电站的电压等级较低，虽然外电路的阻抗较小，但对短路电流的影响较大。因此，在计算短路电流时，必须考虑外电路阻抗的影响。

根据电力系统保护设计的要求，一般应计算以下各处的短路电流：

1）发电机出线端近主配电板处。

2）主汇流排到应急配电板出线端。

3）应急配电板负载出线端。

4）区配电板及分配电板的汇流排负载出线端。

5）电力和照明变压器次级。

6）电力和照明变压器供电的分配电板汇流排负载出线端。

7）大电动机的出线端近汇流排处点。

必要时，应计算最小短路电流，例如舵机电动机出线端。

船舶电力系统短路电流计算的目的是为系统保护选定配电设备及其整定值时提供数据，因此，以交流电力系统为例，仅需计算如下几种短路电流：

1）交流发电机的最大非对称短路电流。

2）交流发电机的对称短路电流。

3）交流发电机最小稳态短路电流。

4）保护装置安装点的最大非对称短路电流。

5）保护装置安装点的对称短路电流。

6）断路器使用场所的最小短路电流。

7）短路功率因数计算。

目前，国际上关于船舶交流电力系统短路电流的计算方法较多，但其共同的特点都是采用近似计算法。所谓近似计算方法包括2层含义：一是作某些假设后进行计算；二是用计算公式描述整个短路过程。

另一个特点是：计算中都考虑短路为三相对称金属性短路，并认为非对称最大峰值是在直流分量的初始值为最大的相位角、交流分量为最大时出现。

第三个特点是：都计算短路后1/2周期的对称有效值和非对称最大峰值。

无论采用何种计算方法都应被有关船级社认可。

2.2 DNV 船级社对谐波分析要求

根据DNV-OS-D201, October 2013, Ch.2 Sec.2 1.2.7 有如下要求：

1）Equipment producing transient voltage,frequency and current variations shall not cause malfunction of other equipment on board, neither by conduction, induction or radiation.

设备产生瞬间电压、频率和电流变化不会引起其它设备的故障，无论是通过传导、感应或辐射。

2）In distribution systems the acceptance limits for voltage harmonic distortion shall correspond to IEC61000-2-4 Class 2. (IEC 61000-2-4 Class 2 implies that the total voltage harmonic distortion shall not exceed 8%.) In addition no single order harmonic shall exceed 5%.

配电系统电压谐波可接受的限制应符合IEC61000-2-4 Class 2。（IEC 61000-2-4 Class 2指出电压总谐波畸变率不超过8%）另外单次谐波不超过5%。

3）The total harmonic distortion may exceed the values given in b) under the condition that all consumers and distribution equipment subjected to the increased distortion level have been designed to withstand the actual levels. The system andcomponents ability to withstand the actual levels shall be documented.

总谐波可能超过2）所给出的值，只要所有负载和配电设备设计成能够承受实际谐波也是可以的。但系统和设备能够承受实际谐波的能力要以文件形式送审。

2.3 CCS 船级社要求

CCS海上移动平台入级与建造规范2005/第5篇-电气装置。

2.3.1 短路选择性保护

重要设备电路的短路保护应是选择性保护，并应符合下列规定：

1）在发生短路故障情况下，应保证仅限最接近故障点的保护电器动作切断故障电路。

2）串联连接的保护电器的动作时间应仔细协调。

3）在选择性保护所要求的时间内，保护电器应有能承载其安装处的短路电流而不分断的能力。

2.3.2 发电机的保护

应采用能同时分断所有绝缘极的断路器作发电机的过载和短路保护，其过载保护应与发电机的热容量相适应。并应满足下列要求：

过电流大于50%，但小于发电机的稳态短路电流，经与系统选择性保护所要求的短暂延时后断路器应分断。断路器的短延时脱扣器建议按如下规定进行整定：始动值为发电机额定电流的200～250%，延时时间：直流最长为0.2 s，交流最长为0.6 s。

2.4 断路器使用类别

断路器的使用类别是根据断路器在短路情况下，是否特别指明用作串联在负载侧的其他断路器通过人为延时实现选择性保护而规定。

必须注意适用于2种使用类别的试验差别，使用类别规定于表1中。

表1 使用类别

3 总结

伴随着船舶与海洋工程项目电力应用范围迅速扩大、电力推进系统的逐渐普及、钻井勘探等大型电力变频设备的应用，船用电力系统加复杂。电气系统短路计算、谐波分析和选择性保护等系统分析计算是电力系统开展设计的重要依据。船厂设计部门需要对厂家完成的电气系统分析计算的方案、结论进行审核，提前发现问题，规避错误，以进一步确保电力系统的安全性和可靠性。在对厂家计算报告的审核过程中，需要对牵涉到船厂施工、调试等环节的部分进行重点分析，以避免生产方返工，并提高生产效率。