電力推進(jìn)船舶協(xié)調(diào)性分析

李智鵑

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

隨著現(xiàn)代控制理論和交流調(diào)速技術(shù)的逐漸成熟及系統(tǒng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展，電力推進(jìn)船舶的優(yōu)越性日益凸顯。以電力推進(jìn)技術(shù)為代表的工程船舶已逐步成為高技術(shù)船舶動力系統(tǒng)發(fā)展的主流。

電力推進(jìn)船舶采用公共電站，功率管理系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷的實(shí)時需求對各臺主發(fā)電機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各發(fā)電機(jī)組工作，達(dá)到合理優(yōu)化配置電能的目的。

在船舶電網(wǎng)中，系統(tǒng)短路較為普遍，是最具危害性的故障。妥善、有效地進(jìn)行協(xié)調(diào)保護(hù)，可將故障范圍降低到最小，對保障電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行有著十分重要的作用。

本文以某型電力推進(jìn)起重船為例，按照時間原則或電流原則[1]，結(jié)合計(jì)算得到的船舶電力系統(tǒng)在不同故障位置下的短路電流，對該船的電力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)保護(hù)設(shè)計(jì)。

1 船舶電力系統(tǒng)介紹

該起重船由船舶公共電站供電。4臺1600kW主發(fā)電機(jī)向一個公共母排提供690V的三相電源，通過該母排饋電給推進(jìn)設(shè)備、起重機(jī)及定位錨絞車，并經(jīng)690V/400V變壓器和400V/230V變壓器向船用負(fù)載供電。另設(shè)1臺400kW的輔柴油發(fā)電機(jī)組和1臺214kW的應(yīng)急兼停泊柴油發(fā)電機(jī)組。

艉部設(shè)2套1500kW全回轉(zhuǎn)定螺距舵槳系統(tǒng)，原動機(jī)為異步電動機(jī)，通過變頻器驅(qū)動和調(diào)速。艏部設(shè)2套600kW的定螺距管隧式推進(jìn)器，原動機(jī)為異步電動機(jī)，通過變頻器驅(qū)動和調(diào)速。

在通常情況下，長期并聯(lián)4臺主發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，供該船航行、作業(yè)、生活及照明等用電；當(dāng)船舶由航行工況或作業(yè)工況轉(zhuǎn)為停泊工況時，可由1臺輔發(fā)電機(jī)組對生活及照明等設(shè)備供電；應(yīng)急機(jī)組可滿足緊急供電需求。

該船電力系統(tǒng)單線圖見圖1，其中：G1～G4為主發(fā)電機(jī)組；AG為輔發(fā)電機(jī)組；EG為應(yīng)急發(fā)電機(jī)組；T1和T2為主推進(jìn)移相變壓器；T3和T4為艏側(cè)推移相變壓器；T5和T6為主電力變壓器；T7和T8為主照明變壓器；T9和T10為應(yīng)急照明變壓器；TM1和TM2為主推進(jìn)電機(jī)；BM1和BM2為艏側(cè)推電機(jī)。

圖1 船舶電力系統(tǒng)單線圖

2 短路電流分析

根據(jù)該船的電力負(fù)荷需求，結(jié)合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，系統(tǒng)發(fā)生最大短路故障是當(dāng)4臺主發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行向全船供電時，系統(tǒng)發(fā)生最小短路故障是當(dāng)輔發(fā)電機(jī)單獨(dú)向電網(wǎng)供電時。船舶電力系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)見表1。為便于對該船電力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)保護(hù)設(shè)計(jì)分析，計(jì)算得到各故障位置的短路電流見表2。

表1 船舶電力系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)

表2 各故障位置的短路電流 單位：kA

表2中，DG和AG分別為對應(yīng)匯流排位置處出現(xiàn)短路時各發(fā)電機(jī)組饋送出的電流。此外，當(dāng)應(yīng)急工況下發(fā)生短路時，應(yīng)急機(jī)組饋送出的電流為Iac=2.101kA，ip=4.794kA。

3 協(xié)調(diào)保護(hù)

3.1 參數(shù)整定

針對船舶電網(wǎng)設(shè)備相對集中、結(jié)構(gòu)相對靈活的特點(diǎn)[2]，一般采用時間原則與電流原則相互配合的方式，選擇合適的保護(hù)器件實(shí)現(xiàn)船舶電網(wǎng)的協(xié)調(diào)保護(hù)。

根據(jù)相關(guān)船舶規(guī)范的要求，結(jié)合求得的該船電力系統(tǒng)短路電流值，得到系統(tǒng)各保護(hù)器件的參數(shù)見表3。

表3 保護(hù)器件參數(shù)

續(xù)表3

3.2 協(xié)調(diào)保護(hù)分析

3.2.1 主發(fā)電機(jī)及與下一級協(xié)調(diào)保護(hù)

1) 主發(fā)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)保護(hù)依照電流原則，利用INST保護(hù)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)選型結(jié)果，主發(fā)電機(jī)斷路器短路瞬時整定值為 30kA，滿足“當(dāng)單一主發(fā)電機(jī)供電支路出現(xiàn)短路時，僅該支路斷路器斷開（ ip=100.458kA＞30 kA ），其他非故障支路斷路器不會分?jǐn)啵?.2ip/=27.328 kA＜30 kA ）”的要求，可實(shí)現(xiàn)主發(fā)電機(jī)之間的短路協(xié)調(diào)保護(hù)。

2) 主發(fā)電機(jī)與主母線之間通過時間配合實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)保護(hù)。主母線分?jǐn)鄶嗦菲魉矔r保護(hù)設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，僅在短延時區(qū)間內(nèi)與上級主發(fā)電機(jī)斷路器以時間選擇的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)保護(hù)。由于下級斷路器的短延時時間（tsd=0.3s）小于上級（tsd=0.4s），故可實(shí)現(xiàn)短路協(xié)調(diào)保護(hù)。

3) 主發(fā)電機(jī)與690V/400V變壓器之間通過時間配合實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)保護(hù)。變壓器原邊斷路器瞬時保護(hù)設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，僅在短延時區(qū)間內(nèi)與上級主發(fā)電機(jī)斷路器以時間選擇的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)保護(hù)。由于下級斷路器的短延時時間（ tsd=0.2s）小于上級（tsd=0.4s），故可實(shí)現(xiàn)短路協(xié)調(diào)保護(hù)。

4) 主發(fā)電機(jī)與主推進(jìn)變壓器之間通過時間配合實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)保護(hù)。當(dāng)主推進(jìn)饋線側(cè)出現(xiàn)較大電流（≥4500A）時，上級斷路器不會瞬時分?jǐn)?，下級斷路器會?0ms內(nèi)分?jǐn)啵士蓪?shí)現(xiàn)短路協(xié)調(diào)保護(hù)。

此外，其他負(fù)載（如艏側(cè)推、起重機(jī)及定位絞車等）的容量比主推進(jìn)小，故斷路器短路瞬時電流設(shè)置值也要＜4500A，可實(shí)現(xiàn)主發(fā)電機(jī)與這些負(fù)載的短路協(xié)調(diào)保護(hù)。

3.2.2 主母線分?jǐn)鄶嗦菲髋c下一級協(xié)調(diào)保護(hù)

1) 主母線與690V/400V變壓器之間通過時間配合實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)保護(hù)。當(dāng)690V/400V變壓器饋線側(cè)出現(xiàn)較大故障電流（≥3375A）時，上下級斷路器不會瞬時分?jǐn)?，均進(jìn)入短延時保護(hù)過程，由于下級斷路器的短延時時間（ tsd=0.2s）小于上級（tsd=0.3s），故可實(shí)現(xiàn)短路協(xié)調(diào)保護(hù)。

2) 主母線與主推進(jìn)變壓器之間通過時間配合實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)保護(hù)。當(dāng)主推進(jìn)饋線側(cè)出現(xiàn)較大電流（≥4500A）時，上級斷路器不會瞬時分?jǐn)?，下級斷路器會?0ms內(nèi)分?jǐn)?，故可?shí)現(xiàn)短路協(xié)調(diào)保護(hù)。

此外，其他負(fù)載（如艏側(cè)推、起重機(jī)及定位絞車等）的容量比主推進(jìn)小，故斷路器短路瞬時電流設(shè)置值也要＜4500A，可實(shí)現(xiàn)主母線與這些負(fù)載的短路協(xié)調(diào)保護(hù)。

4 結(jié) 語

某型起重船的航行推進(jìn)設(shè)備和主要施工設(shè)備均采用電力驅(qū)動，其中主推進(jìn)、艏側(cè)推、起重機(jī)和定位錨絞車采用電力變頻驅(qū)動，系統(tǒng)短路會給船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性及安全性帶來極為嚴(yán)重的損害。本文針對該船進(jìn)行協(xié)調(diào)保護(hù)計(jì)算分析，可為電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)提供參考。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 中國船級社. 船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護(hù)指南[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[2] 王煥文. 船舶電力系統(tǒng)及自動裝置[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004.