利用电流继电器的船用发电机与侧推电机断路器配合分析

赵 腾

山东轨道交通勘察设计院有限公司

1 基本运行工况

某海工船配有动力定位系统，配有两台艉侧推，每台侧推电机功率为500kW（440V），由软启动器启动。动力定位工况时，主要由三台相同型号柴油发电机组为侧推电机供电，其中每台发电机功率为550kW（688kVA∕450V∕60Hz）。每台侧推电机启动时，要求至少有两台发电机在线并车运行，启动后正常运行时，母联断开，发电机解列，每一台侧推电机只由一台发电机提供电源，两个侧推电机不可同时启动。

动力定位工况时，艉侧推供电子系统单线图如图1所示，每台发电机（DG1∕2∕3）和侧推电机（ST1∕2）配有各自断路器，每台发电机为各自母排供电，各个母排通过母联断路器连接，两台侧推电机连在母排BUS A 和BUS C 上（分别由DG2 和DG3 供电），这两个母排除了为侧推电机供电，还为其他小容量辅助设备提供电源，中间发电机DG1主要用于与DG2∕3并车启动侧推电机，在电机启动后解列，为其他大功率设备供电。

图1 艉侧推供电系统单线图

2 初选断路器及脱扣器

根据短路电流计算，440V母排短路最大运行方式时短路电流（RMS）为29.08kA，最小运行方式时为5.22kA。为保证精确的上下级配合，侧推电机采用带三段式保护的电子脱口器的断路器（ABB E1N1250 PR121P In=1250A，Icu=65kA），而位于上级的发电机断路器采用可调间隔更小的三段式电子脱扣器（ABB E1N1250 PR123P In=1250A，Icu=65kA），以实现更精准的整定。

3 断路器整定计算及配合分析

3.1 侧推电机启动时的上下级配合关系

侧推启动时两台发电机并联运行，并联发电机通过调速器和自动电压调节装置可以平均分配负荷，在校验配合关系时可将发电机断路器等效为一个断路器，其整定值近似为每个断路器的两倍，整定时间不变。等效发电机断路器的整定值如表1 所示，根据校验配合系数可容易看出上下级配合校验通过。

3.2 侧推电机正常运行时的上下级配合关系

侧推电机启动后正常运行时，母联断开，发电机解列，由一台发电机供电。发电机与侧推电机断路器初设整定值比较见表1。

表1 上下级断路器配合关系校验

由上面表格分析可以看出在发电机分列运行工况时，长延时通过调整上下级定值，配合系数可勉强满足要求，而短延时Iset2 整定值不满足上下级配合要求，通过图2 两个断路器的时间-电流曲线也可以看出，短延时阶段有重合。

对于短延时有两种调整方式可以实现上下级断路器的配合关系，一个是增大发电机断路器的短延时整定值，另一种方式是减小侧推电机断路器的整定值。由于发电机断路器短延时必须要在最小短路情况下保证动作，现已调为最大，已没有调整余地，我们把目标放在侧推电机断路器上。侧推电机断路器短延时要躲过电机启动电流，表中数据已按最小4倍启动电流整定，也已是最小，故无法再增大配合系数，所以仅利用断路器脱扣器无法满足配合关系的要求。考虑到侧推电机断路器短延时主要用于电机启动过程中的电机和线路保护，而在电机正常运行后，不需要考虑电机的最大启动电流的影响，为实现与上级断路器的配合，可将在电机启动完成后将短延时调小。这就需要设置两套定值，但市面上很少有在线切换整定值功能的脱扣器，所以在现有条件下可考虑利用可投退的外加保护作为整定值切换装置，直观来说就是通过改变下级断路器电流-时间曲线来实现上下级配合。

在本项目中，我们采用了DEIF公司的RMC-122D的时间继电器，该继电器具有短路和过电流输出触点，短路电流调整范围为 1In～4In，0s～1s，过电流调整范围 0.5In～1.5In，0s～120s，配合1000∕5A电流互感器，可实现断路器接收外部信号跳闸。

为满足上下级配合，电流继电器的短延时应满足下式（配合系数取1.3）：

本项目中取1800A，0.25s。

为提高过载保护的可靠性，本项目中实际也启用了电流继电器的过载保护功能，其整定值设为1000A，30s(定时限)。与侧推电机断路器长延时作为电机过电流双重保护（互为后备保护）。加了过流继电器后的电机实际保护曲线为两条曲线逐点比较的小值，上下级断路器及电流继电器的时间-电流曲线及等效后的时间-电流曲线如图2所示。通过图2也可以校验配合关系满足要求。

4 电流继电器工作方式

电流继电器保护功能的投入和退出，由发电机和母联断路器的辅助触点构成的电流继电器电源回路完成。

正常情况下，电流继电器投入，电流继电器和断路器脱扣器同时保护电机及线路。当侧推电机准备启动时，会向功率管理系统（PMS）发出重载启动问询信号，PMS 控制两台发电机启动并车，运行稳定后，给侧推电机软启动器发出启动命令，同时退出电流继电器，此时上级为两台发电机断路器，仅由电机断路器完成保护功能，可以满足上下级配合。启动完成后，操作员发出命令断开母联，发电机解列，同时投入电流继电器，恢复电流继电器和断路器同时保护电机及线路，根据上面整定，也可满足上下级配合。启动另一台侧推电机时重复以上过程。

5 总结

通过整定分析过程可以发现造成上下级配合困难的主要原因，一个是发电机功率（550kW）与侧推电机功率（500kW）接近，造成长延时整定值接近；另一个原因是最小工况下配电板母排短路电流过小（5.22kA），与侧推电机启动电流（3.13kA）接近，再计入可靠系数和配合系统，造成了上下级短延时配合困难。本项目如果只从电气专业角度出发，加大单台发电机容量（如800kW），将三台发电机改为两台总容量一样的发电机，这样发电机的断路器长延时会加大，单台发电机运行的最小工况下的最小短路电流也会加大，断路器短延时整定值也会随之增大，与电机断路器上下级各个整定值间配合系数自然就会变大，在保护配合上会更简单一些。另外，如果本项目中，单台发电机只用于驱动侧推电机，没有其他负载，故障时断路器可以无选择性动作，则不必为这两个断路器做配合。

进行断路器上下级配合时，除了利用配合系数计算，利用厂家提供的应用程序（这个案例中使用的是ABB 公司的Curve Direct软件），对比两个甚至更多断路器的电流-时间曲线来判断是比较简便而且直观的方法，特别是长延时反时限配合时，或是配电级数较多，或上下级断路器整定值接近等类似本案例中情况，以及根据实际情况确实要减少规定的配合系数，按经验值或计算不好判断配合关系时，利用曲线检查配合是非常行之有效的方法。

这个案例在设计初期技术谈判时就意识到可能会出现上下级断路器不好配合的状况，但考虑到方案整体冗余度，可靠性，负荷分配，以及船上空间布置等因素，还是采用了这种方案。本文中利用时间继电器的解决方案不失为电气专业一种很好的弥补措施，亦可应用在改造项目中。