鄒明雷，諶 婷，楊 康，黃友橋

電推船舶變壓器及母線的選擇性保護設(shè)計分析

鄒明雷，諶 婷，楊 康，黃友橋

（武漢南華工業(yè)設(shè)備工程股份有限公司，武漢 430223）

為解決變壓器選擇性保護指導(dǎo)方法與其斷路器選型的匹配性差、船規(guī)對電推船舶母線保護及選擇性的指導(dǎo)描述不多的問題，提出了基于廠家選擇性匹配表選型的變壓器選擇性分析方法，及基于低電壓穿越技術(shù)基礎(chǔ)上的母線分段差動保護作為主保護、斷路器間時間電流選擇性或區(qū)域選擇性作為后備保護的母線選擇性分析方法。通過實船測試，采用母線分段差動保護的方法，提高了母線短路時的選擇性能力，降低了推進逆變器的低電壓穿越時間要求。

電推船舶 變壓器選擇性保護 母線選擇性保護

0 引言

過載和短路是船舶三相絕緣電力系統(tǒng)中的常見故障，由此可能導(dǎo)致全船失電。對于電力推進船舶來說，還可能進一步導(dǎo)致船舶失去操縱能力，直至發(fā)生船舶碰撞甚至引發(fā)火災(zāi)的嚴重后果。因此，依照中國船級社（CCS）《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第四分冊要求，對電力系統(tǒng)的過流故障需要實現(xiàn)選擇性保護，對于可并聯(lián)連接的發(fā)電機總?cè)萘看笥?250 kVA 的船舶，要求送審“保護電器協(xié)調(diào)動作分析書”。2007 年，CCS 頒布了《船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護指南》，明確了船舶電力系統(tǒng)必須采用選擇性保護的設(shè)計要求及其實現(xiàn)方法。該《指南》實施后，電力系統(tǒng)的安全性得到了進一步提升。不過在實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)在變壓器的選擇性保護上存在照搬規(guī)范條款與實際斷路器選型存在匹配偏差的問題，同時由于《指南》中對電推船舶母線的選擇性保護方面沒有較多的闡述，造成部分設(shè)計人員對其的理解上存在一定的不足。

1 變壓器的選擇性保護設(shè)計

依照《指南》中的要求，電力變壓器需要配置過載和短路保護裝置，用來反應(yīng)變壓器繞組、引出線及套管上的短路故障。在常見的電能單一流向的樹形船舶電力網(wǎng)中，這些地方發(fā)生短路故障時，保護動作使變壓器原邊側(cè)的開關(guān)跳閘，以保護變壓器。其作用是：

1）在變壓器低壓負荷側(cè)母線發(fā)生短路時，避開流過保護裝置的最大短路電流；

2）在變壓器空載投入時，避開其勵磁涌流。

斷路器因其分斷性能可靠穩(wěn)定，優(yōu)于熔斷器，因此船舶電力系統(tǒng)的保護和開合控制上基本全部采用斷路器。由于受到成本、設(shè)定容量及分斷能力等的多重限值，中小型船舶動力變壓器的保護裝置一般僅限于采用塑殼斷路器來實現(xiàn)。

依據(jù)《指南》中的要求，電力變壓器的原邊斷路器需要與下級母線負載斷路器之間具備選擇性保護，同時依據(jù)《指南》中的指導(dǎo)思想，其原邊斷路器需要具備包括短延時保護在內(nèi)的二段或三段保護功能，并具備能夠承受短延時設(shè)定時間范圍內(nèi)流過此位置的最大短路熱應(yīng)力而無損傷的能力。從規(guī)范的角度看，就需要選用B類型斷路器。但實際上，無論是Schneider、ABB還是SIEMENS雖然其630 A以下斷路器可選配電子脫扣器，能夠提供三段保護功能，但其對應(yīng)型式認可證書上明確標明的依然是A類，這是由于其I測試及實驗環(huán)境沒能完全滿足相應(yīng)的GB，IEC的實驗規(guī)范導(dǎo)致的。

鑒于此，需要轉(zhuǎn)換思路，從A類斷路器的角度重新考慮選擇性問題。當前船級社對于能量脫口選擇性關(guān)系還存在一些質(zhì)疑，但認同實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，因此需要從各斷路器制造商提供的選擇性匹配表進行選型。因船用電力變壓器通常都為降壓類型，因此上級電流小于下級電流將更有利于選擇性關(guān)系的實現(xiàn)。選型的原則為：

1）上下級斷路器各自的分斷能力要大于其輸出端短路時流經(jīng)其的1/2周期時的最大對稱短路電流I；

2）根據(jù)選擇性匹配表，上下級斷路器滿足完全選擇性的最大允許短路電流應(yīng)大于下級斷路器輸出端短路時的最大對稱短路電流I。

對于上級斷路器，可選用單磁式脫扣器MA，同時采用合適的熱繼電器修正過載保護。最終的保護曲線可參見圖1所示：

圖1 變壓器選擇性保護曲線示例

2 母線的選擇性保護設(shè)計

2.1 常規(guī)母線保護設(shè)計

母線是電力系統(tǒng)中的重要組成部分。當母線發(fā)生故障時，將使連接在故障母線上的所有元件在修復(fù)故障母線期間，或在轉(zhuǎn)換到另一組無故障的母線上運行以前被迫停電。對于電力推進船舶來說，整個母線電壓的喪失，將導(dǎo)致推進控制系統(tǒng)停止運行，進而可能導(dǎo)致船舶發(fā)生碰撞、引發(fā)火災(zāi)等重大事故。因此對于常規(guī)的設(shè)置有聯(lián)絡(luò)開關(guān)的單母線船舶，包括具備DP2，DP3附加標志的電推船舶系統(tǒng)，在重要工況下可采用自動分區(qū)供電的方式規(guī)避可能的因單一母線故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰問題，從設(shè)計成本及系統(tǒng)運行風(fēng)險角度考慮，這是最簡單的一種方法。

但從船舶運營經(jīng)濟性角度來說，母聯(lián)斷開不利于整體四臺機組輸出電能的綜合優(yōu)化調(diào)度，同時也降低了機組間的多重備用能力，因此，在實際的電推船舶電力系統(tǒng)設(shè)計上，在成本允許的情況下，通過優(yōu)化相關(guān)斷路器和電子脫扣器的保護設(shè)定，或者采用區(qū)域選擇性聯(lián)鎖等方法亦可實現(xiàn)在單一母線短路時，發(fā)電機斷路器和母線聯(lián)絡(luò)斷路器的選擇性保護。

2.2 優(yōu)化斷路器、電子脫扣器選型及設(shè)定的母線保護設(shè)計

當發(fā)電機組配置相同，且數(shù)量較為對稱時，通過選擇合適的發(fā)電機組及母線聯(lián)絡(luò)斷路器的框架類型和電子脫扣器型號，進行相應(yīng)的匹配設(shè)定，在單一母線故障時，可通過時間配合技術(shù)實現(xiàn)母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)與發(fā)電機組斷路器的選擇性匹配關(guān)系。

圖2 對稱母線參考圖

以對稱母線參考圖為例，如圖2所示，四臺同功率發(fā)電機組，配置有同廠同系類型號的斷路器和電子脫扣器?？紤]到發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)短路電流一般大于其3倍額定電流值（I），當前市面上的電子脫扣器短延時電流整定值都是從1.5倍斷路器框架值起始的非連續(xù)性設(shè)定。從時間電流曲線看，母線聯(lián)絡(luò)斷路器與發(fā)電機斷路器之間具備短路選擇性保護的條件是，其短延時時間要小于發(fā)電機斷路器的時間設(shè)定，其短延時電流整定要不大于發(fā)電機斷路器的電流設(shè)定。因此，在選型時，母線聯(lián)絡(luò)斷路器的框架值一般要選擇不大于發(fā)電機斷路器框架值的2倍，同時母線聯(lián)絡(luò)斷路器的短延時最大分斷時間要小于發(fā)電機斷路器短延時的最小可返回時間，則可實現(xiàn)相應(yīng)的上下級選擇性保護。其匹配曲線參考參見圖3。

圖3 優(yōu)化選型的母線選擇性保護曲線示例

2.3 區(qū)域選擇性聯(lián)鎖的母線保護設(shè)計

區(qū)域選擇性聯(lián)鎖是通過對短路電流的方向判斷，由近故障點斷路器向所有遠故障點斷路器發(fā)出閉鎖保護信號，從而抑制上級斷路器脫扣的方法實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)橫向及上下級斷路器之間的選擇性保護。采用區(qū)域選擇性聯(lián)鎖的配電系統(tǒng)，既保證了上下級間的選擇性，又大大縮短了系統(tǒng)承受短路故障電流的時間。

船舶電力系統(tǒng)大多為樹形結(jié)構(gòu)，分支較多，從經(jīng)濟角度考慮，區(qū)域選擇性聯(lián)鎖更常用于母線段的保護，在設(shè)計上可考慮整個區(qū)域范圍內(nèi)，短延時時間參數(shù)設(shè)定保持一致，例如通常發(fā)電機保護短延時設(shè)定為400~600 ms，則可將所有發(fā)電機斷路器及母線聯(lián)絡(luò)斷路器的短延時都設(shè)定為400 ms，通過信號聯(lián)絡(luò)實現(xiàn)近故障點斷路器優(yōu)先脫扣。其聯(lián)鎖保護可參見圖4。

圖4 區(qū)域選擇性聯(lián)鎖參考圖

區(qū)域選擇性聯(lián)鎖在復(fù)雜船舶電力網(wǎng)絡(luò)上更能體現(xiàn)出其優(yōu)勢，在此不做過多展開。

對于電推船舶電力系統(tǒng)，各機組并網(wǎng)運行時，當發(fā)生單一母線故障后，發(fā)電機組進入強勵模式以維持輸出電壓穩(wěn)定，故障點電壓瞬時跌落為零，并沿短路饋送線路的逆向提升，其電壓值與分布阻抗占比成線性關(guān)系。對于非故障側(cè)，母線電壓跌幅較大，可能低至推進變頻器的最低運行電壓以下。當前國內(nèi)較多的中小型電推船舶電力系統(tǒng)僅考慮了分區(qū)供電或者母線選擇性，對于故障期間系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析還稍有不足。大型電推船舶一般采用低電壓穿越技術(shù)來實現(xiàn)推進變頻器對螺旋槳的持續(xù)控制，應(yīng)用有源阻尼控制與弱磁控制結(jié)合的方法使推進電機在電壓跌落期間保持運轉(zhuǎn)，其穿越能力與儲能電容大小、故障切除時間及相關(guān)的控制算法有關(guān)。

為降低推進變頻器的選型難度，提高系統(tǒng)故障處理能力，可引入陸用電力系統(tǒng)已經(jīng)成熟應(yīng)用的母線差動保護概念和裝置。

2.4 母線差動保護設(shè)計

對于電推電力系統(tǒng)，從綜合性價等方面考慮，直接供電推進系統(tǒng)的母線電壓都略高于日用負載，相對母線負載支路較少，有利于設(shè)置母線差動保護。

母線差動保護多采用比率制動型差動保護，針對母線各分段設(shè)置獨立小差，僅用以區(qū)分母線分段內(nèi)外故障，采用具有比率制動特性的分相電流差動算法，其動作方程為：

I>I，I>KI

當滿足上式的動作方程時，判為分段母線內(nèi)部故障，母線保護動作，瞬時脫開本段母線上的所有在線發(fā)電機斷路器和母線聯(lián)絡(luò)斷路器。同時斷路器原有的利用短延時時間配合或者區(qū)域選擇性聯(lián)鎖的保護可作為后備保護保留。從整體上綜合提高在單一母線故障時，電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和推進供電的持續(xù)性。

通過在某電推船舶上加裝母線分段差動保護進行測試，單一母線故障后，整體母線聯(lián)絡(luò)斷路器分斷時間可控制在50 ms以內(nèi)，遠遠小于區(qū)域選擇性聯(lián)鎖和斷路器時間電流選擇性的400~600 ms，大幅降低了推進逆變器的故障穿越時間要求，提高了母線的選擇性能力。

3 結(jié)論

船舶電力系統(tǒng)的選擇性保護設(shè)計是在進行系統(tǒng)設(shè)計時必不可少的環(huán)節(jié)，對電力系統(tǒng)的安全運行甚至整個船舶的安全都有著至關(guān)重要的作用。特別是隨著電力推進在各類船舶上得到更多的應(yīng)用，船舶電力系統(tǒng)將變得越來越龐大，因而安全性的要求也將越來越高。本文針對變壓器及母線的選擇性保護設(shè)計方法進行了分析，希望能對設(shè)計人員起到一定的啟發(fā)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

鄒明雷（1978-），工程師。研究方向：船舶電站及自動化。E-mail：zouml@whnhi.com