艦船交流環(huán)形電力系統(tǒng)保護性能分析＊

（海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室 桂林 541002）

1 引言

艦船電力系統(tǒng)在運行中，由于設備受到打擊破壞或操作不當?shù)雀鞣矫嬖?，不可避免地會出現(xiàn)各種不正常運行或故障情況。短路故障是艦船電力系統(tǒng)最嚴重的故障之一，若不及時排除，會使電力系統(tǒng)的安全可靠運行受到威脅，嚴重情況下會導致整個艦船電力系統(tǒng)的供電中斷，影響艦船的正常運行，危害相關人員的人身安全，嚴重降低艦船的生命力［1］。因此，艦船電力系統(tǒng)必須配備可靠的保護裝置。

在艦船電力系統(tǒng)中，對短路保護的基本要求是［2～7］：

1）選擇性

保護的選擇性是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護裝置盡可能只切除故障部分，使故障情況下被開斷的線路限制在最小范圍，保證非故障線路繼續(xù)正常供電。

2）快速性

保護的快速性要求故障的切除時間盡可能的短，以減少電網(wǎng)在大電流、低電壓下運行的時間。

靈敏性是指對保護范圍內(nèi)所發(fā)生的故障或不正常運行狀態(tài)的反應能力。滿足靈敏性要求的保護裝置應該在規(guī)定的保護范圍內(nèi)發(fā)生故障時，都能反應靈敏。

4）可靠性

可靠性要求在其規(guī)定的保護范圍內(nèi)發(fā)生故障時，保護裝置不拒動；而在不需要其動作時可靠不動作，即不發(fā)生誤動。

以上保護“四性”基本要求是評價和研究電網(wǎng)保護性能的基礎，在它們之間，存在矛盾的一面，比如：為了保證選擇性，有時就要求保護動作必須具有一定的延時；為了提高快速性，有時又允許保護裝置無選擇地動作。在進行艦船電力系統(tǒng)保護設計時，需要結(jié)合考慮上述保護“四性”要求，使以上四個基本要求在所配置的保護中得到統(tǒng)一。

2 時間電流保護方法的整定原則

艦船電力系統(tǒng)中斷路器的動作延時時間分為瞬動、短延時和長延時三段，其中瞬動和短延時按時間電流原則進行整定以提供短路保護。長延時保護主要是針對系統(tǒng)中的過載和高阻抗故障，本文不予討論。

2．1 輸電網(wǎng)保護整定

在時間電流原則下，艦船電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)中斷路器主要采用短延時保護，通過斷路器動作延時的差異來實現(xiàn)保護選擇性。通常情況下，按照由短到長的延時時間依次對跨接斷路器，母聯(lián)斷路器，發(fā)電機斷路器進行整定。同時，為保證斷路器動作的靈敏性，要求母聯(lián)斷路器和跨接斷路器的短延時電流整定值小于發(fā)電機斷路器短延時電流整定值。按照國軍標要求，艦船環(huán)形輸電網(wǎng)中斷路器的整定值如表1所示［8］。

2．2 配電網(wǎng)保護整定

艦船交流輻射狀配電網(wǎng)一般包括三級保護，排列順序依次是：主配電板（第一級）→配電中心（第二級）→分配電箱（第三級）。按照國軍標的要求，這三級斷路器的保護整定值設置如表2所示［9～10］。其中，主配電板至配電中心的斷路器不設置瞬動，通常采用短延時保護中最短短延時時間段以實現(xiàn)配電中心以下短路故障的選擇性保護，短延時電流整定值按電流原則進行設置。其余兩級斷路器沒有短延時保護，只設置瞬動保護，瞬動電流整定值按電流原則設置，要求上級斷路器的電流整定值要大于等于下級斷路器的電流整定值以保證斷路器動作的靈敏性。

表1 時間電流原則保護下輸電網(wǎng)斷路器整定值

表2 時間電流原則保護下配電網(wǎng)斷路器整定值

3 時間電流保護特性

為研究斷路器動作狀態(tài)和斷路器短路電流的匹配關系，本節(jié)分析了不同工況、不同故障點下，系統(tǒng)中各斷路器流過的短路電流特性。由于按時間電流原則在進行斷路器電流整定值的計算時，依據(jù)的是各斷路器流過的最小短路電流，因此，在斷路器短路電流特性分析中忽略了電網(wǎng)中電動機饋送的短路電流。

1.1.3 供試藥劑 室內(nèi)毒力測定：90%阿維菌素原粉，華北制藥愛諾股份有限公司生產(chǎn)；25%甲胺基阿維菌素苯甲酸鹽，華北制藥愛諾股份有限公司生產(chǎn)；81.7%噻唑膦原油，壽光市申達化學工業(yè)有限公司生產(chǎn)。田間藥效試驗：2%阿維菌素、2%甲胺基阿維菌素苯甲酸鹽和10%噻唑膦，河北三農(nóng)農(nóng)用化工有限公司。

3．1 交流環(huán)形輸電網(wǎng)保護特性

圖1所示為一典型的艦船交流環(huán)形輸電網(wǎng)，該系統(tǒng)由前后兩個電站構(gòu)成，每個電站內(nèi)有兩臺發(fā)電機組，系統(tǒng)為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，開環(huán)運行，即兩舷跨接線不會同時接通。當短路故障發(fā)生在輸電網(wǎng)線路中，在不同工況和不同位置下各斷路器上流過的短路電流差異較大。例如發(fā)電機G1出口斷路器B1，其流過的短路電流有以下三種情況：

1）G1～G4中任意一臺發(fā)電機的短路電流；

2）G2～G4中任意兩臺發(fā)電機的短路電流之和；

3）G2～G4三臺發(fā)電機的短路電流之和。

圖1 四機組交流環(huán)形輸電網(wǎng)

同理，母聯(lián)斷路器可能流過1～3臺發(fā)電機短路電流，跨接斷路器可能流過1～2臺發(fā)電機短路電流。由于發(fā)電機短路電流值與短路故障類型（三相短路、相間短路）、線路阻抗、短路合閘角、發(fā)電機負荷率等因素有關，單機，雙機并聯(lián)和三機并聯(lián)工況下由發(fā)電機提供的短路電流的變化區(qū)間分別為［I′Gmin，I′Gmax］，［I″Gmin，I″Gmax］和［I?Gmin，I?Gmax］。輸電網(wǎng)線路阻抗較小，可忽略線路阻抗的影響，若圖1中四臺發(fā)電機組參數(shù)相同，那么有I′Gmin＝I″Gmin／2＝I?Gmin／3，I′Gmax＝I″Gmax／2＝I?Gmax／3。當短路故障發(fā)生在輸電網(wǎng)時，輸電網(wǎng)中三類斷路器短路電流的分布特性如圖2中豎線框所示。圖2中ING為發(fā)電機穩(wěn)態(tài)短路電流。

當短路故障發(fā)生在配電網(wǎng)線路中時，發(fā)電機出口斷路器只可能流過1臺發(fā)電機的短路電流，母聯(lián)斷路器仍可能流過1～3臺發(fā)電機的短路電流，跨接斷路器也可能流過1～2臺發(fā)電機短路電流。此時各發(fā)電機提供的短路電流大小受線路阻抗影響較大，在主配電板這一級斷路器的出口發(fā)生短路故障時短路電流較大。在配電網(wǎng)線路末端發(fā)生短路故障時，各發(fā)電機提供的短路電流很小。因此，輸電網(wǎng)中三類斷路器短路電流值在配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時的分布特性如圖2中橫線框所示，其中格子框所示為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)故障下短路電流分布特性的重疊部分。

圖2 輸電網(wǎng)斷路器短路電流特性

由表1所述斷路器整定原則，這三類斷路器的短延時電流整定值都將在圖2（a）中虛線左側(cè)。由圖2所示各斷路器短路電流特性，在所有工況下，當環(huán)形電網(wǎng)中任一線路發(fā)生短路故障，各斷路器的短延時保護都將啟動，由斷路器短延時時間的長短，按先解列電站，再斷開并聯(lián)機組，最后斷開發(fā)電機的順序進行保護。發(fā)電機斷路器的瞬動電流整定值在圖2（c）中虛線右側(cè)且小于I″Gmin，因此，只有在三機并聯(lián)或四機并聯(lián)工況且發(fā)電機至出口斷路器之間的線路上發(fā)生短路故障時，其瞬動保護才會啟動。

3．2 交流輻射狀配電網(wǎng)保護特性

交流輻射狀配電網(wǎng)中斷路器所經(jīng)短路電流隨短路點線路阻抗增加的變化曲線如圖3所示，圖中［I′1min，I′1max］為單臺發(fā)電機運行工況下斷路器B1所經(jīng)短路電流的變化區(qū)間，［I″1min，I″1max］為兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行工況下斷路器B1所經(jīng)短路電流的變化區(qū)間，Id1為斷路器B1短延時電流整定值，Is2、Is3分別為斷路器B2和B3的瞬動電流整定值。

圖3 輻射狀配電網(wǎng)短路電流變化曲線

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：短路前主配電板上所接發(fā)電機數(shù)量越多，配電網(wǎng)中斷路器短路電流隨短路點線路阻抗增加下降得越快；在配電網(wǎng)負載側(cè)的線路末端，不同工況下斷路器短路電流將逐漸逼近。這是由于在計算配電網(wǎng)短路故障下發(fā)電機饋送的短路電流時，可以將輸電網(wǎng)中運行的發(fā)電機進行等效處理，而由發(fā)電機的等效公式，被等效的發(fā)電機數(shù)量越多，等效發(fā)電機的超瞬變電抗、瞬變電抗、電樞電阻等參數(shù)越小，其短路電流隨線路阻抗的增加下降得越快。

由于配電網(wǎng)斷路器在不同工況下短路電流變化范圍很大，按表2進行斷路器整定后，當下一級線路發(fā)生短路故障時，本級斷路器短路電流值可能大于其整定值，這將造成上下級斷路器同時啟動保護。由于斷路器B1延時時間大于B2動作時間，可以實現(xiàn)f2故障下保護的選擇性；斷路器B2和B3都采用瞬動保護，必然造成某些情況下f3故障時，斷路器B2和B3同時動作。

4 時間電流原則保護的缺陷分析

現(xiàn)有艦船電力系統(tǒng)中時間電流原則保護方法主要的缺點在于：

1）保護的選擇性不夠，可能造成失電范圍的擴大

按照表1所述原則對圖1所示輸電網(wǎng)斷路器進行整定，當系統(tǒng)運行于如圖4所示運行工況下主配電板匯流排S8上發(fā)生短路故障f1時，跨接斷路器B7和B8因延時時間最短而首先動作，造成主配電板S7和S8同時失電。此時，選擇性最優(yōu)的斷路器動作方案應該是母聯(lián)斷路器B6動作切除故障，僅主配電板S8失電。

配電網(wǎng)保護選擇性不佳的原因如3．2節(jié)所述，由于一般艦船電力系統(tǒng)中斷路器短延時時間為四級，而輸電網(wǎng)斷路器短延時時間需要三級，因此配電中心以下斷路器只能按電流原則設置瞬動保護。

圖4 發(fā)電機G1、G2并聯(lián)運行工況

2）延時時間過長，對電網(wǎng)的沖擊較大

時間電流原則保護方法是以犧牲保護快速性為代價來實現(xiàn)保護的選擇性。仍以圖1所示艦船電網(wǎng)為例，當系統(tǒng)運行于四機單獨運行工況，即母聯(lián)和跨接斷路器全部斷開，四臺發(fā)電機對各自主配電板供電，此時發(fā)電機出口斷路器的短延時時間只需比主配電板斷路器的短延時時間高一個等級即可。按表1所述整定原則，發(fā)電機出口斷路器的短延時時間仍按最長延時時間進行整定，這將造成主配電板短路故障的切除時間較長，對發(fā)電機的絕緣、匯流排熱穩(wěn)定性等都是一個嚴峻的考驗。

時間電流原則保護方法應用于艦船電力系統(tǒng)中存在以上缺點的主要原因是斷路器整定值一旦固定就無法改變，而艦船電力系統(tǒng)運行工況多變，不同工況下系統(tǒng)對保護性能的要求也有所不同，這種固定的整定值無法在每種工況下都達到最優(yōu)的保護性能，只能選擇一種兼顧各種運行工況的折中方案，因此造成某些工況下保護性能不佳。

5 結(jié)語

本文主要完成對艦船電力系統(tǒng)保護特性的分析。時間電流保護方法的特點是事先整定、實時動作，當應用于艦船電力系統(tǒng)時，對于輸電網(wǎng)短路故障采取先解列電站，再斷開并聯(lián)機組，最后斷開發(fā)電機的保護順序；對于配電網(wǎng)短路故障，主配電板斷路器設置短延時保證選擇性，其余斷路器按電流原則設置瞬動保護。艦船電力系統(tǒng)中各斷路器在不同運行工況下網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)差異較大，時間電流保護這種固定的動作模式將造成系統(tǒng)在某些工況的短路故障下失電范圍擴大，短路電流持續(xù)時間過長。

［1］李佑光，林東．電力系統(tǒng)繼電保護原理及新技術［M］．北京：科學出版社，2009：21-45．

［2］Stanley H H，Arun G P．電力系統(tǒng)繼電保護［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2010：55-76．

［3］張保會，尹項根．電力系統(tǒng)繼電保護［M］．北京：中國電力出版社，2005：11-54．

［4］李麟，沈兵，莊勁武．艦船電力系統(tǒng)［M］．武漢：海軍工程大學，2002：7-10．

［5］孫詩南．船舶電力系統(tǒng)的研究與設計［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1990：44-49．

［6］王春義．電力系統(tǒng)恢復輔助決策方法研究與系統(tǒng)開發(fā)［D］．濟南：山東大學，2010：4-19．

［7］陳竟成，徐德超，于爾鏗．配電網(wǎng)故障恢復系統(tǒng)［J］．電力系統(tǒng)自動化，2000（4）：15-16．

［8］馬偉明，張曉鋒，焦儂，等．中國電氣大典［M］．第十二卷．北京：中國電力出版社，2009：17-23．

［9］龐科旺．船舶電力系統(tǒng)設計［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2010：22-25．

［10］邰能靈，王鵬，倪明杰．大型船舶電力系統(tǒng)關鍵技術與應用［M］．北京：科學出版社，2012：17-39．