船舶電力系統(tǒng)選擇性保護設計誤區(qū)分析

王正甲　顧偉杰

（上海船舶研究設計院，上海201203）

船舶電氣

船舶電力系統(tǒng)選擇性保護設計誤區(qū)分析

王正甲顧偉杰

（上海船舶研究設計院，上海201203）

船舶電力系統(tǒng)的過電流選擇性保護設計對系統(tǒng)的安全性起著至關重要的作用，但是很多設計人員對其認識還比較片面，存在一些概念誤區(qū)，致使設計上出現(xiàn)偏差。通過分析幾個典型案例，就選擇性保護的概念及設計進行梳理，以期對設計人員有所幫助。

完全選擇性；部分選擇性；能量脫扣；反時限過流保護

0　前言

過電流故障是船舶電氣裝置中的常見故障，由此可能導致全船失電，船舶失去操縱能力，直至發(fā)生船舶碰撞甚至引發(fā)火災的嚴重后果［1］。自2001年起，中國船級社（CCS）在其出版的《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中，就提到對電力系統(tǒng)的過電流故障實現(xiàn)選擇性保護的要求，并且對于可并聯(lián)連接的發(fā)電機總?cè)萘看笥?50 kVA的船舶，要求送審“保護電器協(xié)調(diào)動作分析書”［2］。但是由于一直沒有相關的執(zhí)行準則，因而在審查上并不嚴格。

自2007年始，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計要求及其實現(xiàn)方法。該《指南》實施幾年來，電力系統(tǒng)的安全性得到了進一步提升，不過在實際應用中，發(fā)現(xiàn)有部分設計人員在理解選擇性保護方面存在誤區(qū)。

筆者曾參與GB/T 7357-2010《船舶電氣設備系統(tǒng)設計保護》的編寫，并參與了《船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護指南》中實例的編寫，在選擇性保護的設計實踐方面有一些心得和體會，希望通過此文與大家共同分享。

1　概念誤區(qū)

1.1完全選擇性與部分選擇性概念混淆

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第四篇中的定義，完全選擇性系指有兩個或兩個以上過電流保護電器串聯(lián)的電路中，當發(fā)生過電流故障時，只是最接近故障點的保護電器起保護作用，而不會導致其他保護電器動作的過電流選擇性保護；部分選擇性保護系指在有兩個或兩個以上過電流保護電器串聯(lián)的電路中，當發(fā)生過電流故障時，只是在一定的短路電流范圍內(nèi)，才能做到最接近故障點的保護電器起保護作用，而不會導致其他保護電器動作的過電流選擇性保護。

而在實際的應用中，容易將這兩個概念混淆。以主應饋電開關與AC 380 V應急負載開關之間的選擇性保護為例。根據(jù)規(guī)范要求，主應饋電開關與AC 380 V應急負載開關之間應滿足選擇性保護的要求。如圖1所示為某廠家提供的主應饋電開關與AC 380 V應急負載開關的時間電流曲線。由曲線可知，當AC 380 V應急負載開關出口的后端發(fā)生短路時，若短路電流不超過36 kA，則兩個斷路器之間能夠保證是AC 380 V應急負載開關，從而滿足選擇性的要求。但在短路電流超過36 kA時，無法保證AC 380 V應急負載開關優(yōu)先于主應饋電開關動作。這實際上是部分選擇性保護，但是廠家卻誤認為是滿足的完全選擇性要求。根據(jù)該項目的短路電流計算，在AC 380 V應急負載開關出口處的短路電流小于36 kA，因而兩個斷路器開關之間能夠滿足選擇性保護要求，但定義為完全選擇性顯然是不合適的。

圖1　主應饋電開關與AC 380 V應急負載開關的時間電流曲線

事實上，常用塑殼斷路器產(chǎn)品，其三段式保護中的瞬動保護段是不能取消的，因而當下一級斷路器所保護的線路上的短路電流超過一定數(shù)值后（如圖1所示的36 kA），就很難通過三段式保護來實現(xiàn)完全選擇性保護。但由于斷路器自身的限流特性，通常負載側(cè)的斷路器脫扣所需能量低于電源側(cè)斷路器完全分閘所需的能量值，因而依靠斷路器的能量脫扣的選擇性，實際上是能夠?qū)崿F(xiàn)上下級斷路器之間的完全選擇性的。

圖2給出的是ABB公司Tmax系列塑殼斷路器與S系列微型斷路器的選擇性配合示例。從圖2可以看出，當電源側(cè)塑殼斷路器的脫扣器額定電流不小于160 A而負載側(cè)微型斷路器的脫扣器額定電流不大于63 A時，上下級之間可以實現(xiàn)完全選擇性，這種選擇性便是通過能量脫扣來實現(xiàn)的。而當電源側(cè)塑殼斷路器的脫扣器額定電流小于160 A時，上下級之間便只能是在給定的短路電流值的范圍內(nèi)實現(xiàn)部分選擇性。

圖2　MCCB與MCB選擇性配合表

1.2重要設備的供電線路才需要考慮選擇性

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第四篇第2.4.7：除另有明文規(guī)定者外，主重要設備應直接由主配電板或應急配電板（要求應急電源供電者）供電，但如其獲得完全選擇性保護則可例外。根據(jù)該條要求，在設計過程中，我們均盡可能的將主重要設備由配電板直接供電。如采用區(qū)域分配電箱供電時，應考慮其完全選擇性。

這里實際上會造成兩個概念上的誤區(qū)。第一個誤區(qū)是使設計人員認為主重要設備供電線路必須做到完全選擇性；第二個誤區(qū)是使設計人員認為只有主重要設備才需要滿足選擇性要求，而對一般設備的供電線路則不需考慮。

上述第一個誤區(qū)如前1.1節(jié)分析，是混淆了完全選擇性和部分選擇性的概念。其實規(guī)范的這條規(guī)定是為了滿足電力系統(tǒng)保護的一般要求，即各保護電器的性能及其布置應能提供完善協(xié)調(diào)的自動保護，以保證在某處發(fā)生故障的情況下，通過保護電器的選擇性作用確保無故障重要設備電路的供電連續(xù)性［3］。歸根結(jié)底，規(guī)范在這里強調(diào)的是主重要設備的供電連續(xù)性。

如圖3所示，對于供電連續(xù)性而言，在故障期間，線路③的供電不受線路②故障的影響，在整個故障過程中始終保持連續(xù)供電狀態(tài)。而對于運行連續(xù)性而言，在故障期間，線路③可以短時斷電，待線路②故障切除后再對線路③恢復供電。如果線路①和線路②上的保護電器不能滿足選擇性要求，則線路③只能保證運行連續(xù)性而無法保證供電連續(xù)性，因而無法滿足規(guī)范的要求。而如前1.1節(jié)分析，為實現(xiàn)供電線路的供電連續(xù)性，完全選擇性和部分選擇性的效果是沒有任何區(qū)別的。所以對誤區(qū)一的正確理解是只需確保電力系統(tǒng)滿足選擇性要求即可，而并不需要一定是完全選擇性。

圖3　供電連續(xù)性和運行連續(xù)性

對于所造成的第二個誤區(qū)，也可從圖3中可以看出，假設線路③為主重要設備供電線路，線路②為非重要設備供電線路。若僅線路③與線路①的保護電器滿足選擇性要求，而線路②與線路①不考慮選擇性要求，在線路②上發(fā)生故障時，可能線路①中保護電器動作，從而影響主重要設備所在的線路③的供電連續(xù)性。因此，選擇性保護的要求應不僅限于主重要設備的供電。

2　設計誤區(qū)

2.1斷路器的脫扣器額定值選擇

在選定脫扣器的額定值時，設計人員會很自然地考慮脫扣器選定的額定值是否能夠?qū)€路進行過載保護，即脫扣器的額定值不超過其保護線路電纜的載流量。而對于線路的短路保護，在設計初期由于未進行短路電流的計算，對于各級線路的短路電流值沒有系統(tǒng)的掌控，因而往往考慮不周。如照明分電箱或航行燈信號燈控制板中的斷路器，在設計過程中基本都整定在15 A或16 A。其實對于這類照明線路的末端，往往短路電流較小，當斷路器整定在15 A或16 A時，斷路器對線路的短路故障根本起不到保護作用，這就是造成《船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護指南詳細編寫說明》中提到的航行燈供電電纜燒毀的原因。

解決以上問題最合理的做法是：對于負載已經(jīng)確定的線路，其保護電器的選定應按照其負載的額定電流來選定，而不是僅僅考慮線路電纜的載流量。例如以《船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護指南詳細編寫說明》中提到的例子，在有10個點位的AC 220 V照明線路中，每個燈點功率以52 W計，其額定電流約為2.4 A，應按照2.4 A來選擇脫扣器。當選用施耐德C65型微型斷路器，額定值選3 A時，其瞬動保護動作值為22.5 A。即使在兩相短路時，斷路器也能夠可靠動作。

2.2變壓器兩側(cè)的斷路器時間電流曲線未經(jīng)折算

在廠家提交的《保護電器協(xié)調(diào)性動作分析報告》中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)如圖4所示的兩根時間-電流曲線出現(xiàn)在一張圖內(nèi)。而應急變壓器斷路器為AC 380 V，AC 220 V應急負載為AC 220 V，這兩根時間-電流曲線所代表的斷路器分處兩個不同的電壓等級上，直接表示在一個時間-電流的坐標系中是不合理的，應對其中一個斷路器的相關電流值進行折算。在圖4的例子中，當AC 220 V應急負載斷路器的相關電流值經(jīng)折算后繪制到該圖上后會發(fā)現(xiàn)，上下級之間無法滿足選擇性的要求，因而要引起重視。

圖4　應急變壓器原邊斷路器與AC 220 V應急負載斷路器協(xié)調(diào)動作的時間-電流特性圖

2.3過載保護的設定值和動作值混淆

在對斷路器的過載保護進行整定時，有些設計人員會把過載保護的整定值和動作值混淆。例如《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》建議發(fā)電機主開關在發(fā)電機過載10%～50%時，經(jīng)少于2 min的延時分斷，并建議斷路器整定在發(fā)電機額定電流的125%～135%，延時時間15 s～30 s。這使得設計人員在整定發(fā)電機主開關的長延時時，往往按此原則整定。

目前斷路器長延時保護基本采用反時限過流保護，典型的反時限特性曲線圖如圖5所示［4］。采用反時限原理進行保護的電器，通過的電流越大，保護動作的時間越短，當通過的電流不超過保護的起動電流時，保護電器會長期穩(wěn)定運行而不動作。

圖5　反時限特性曲線圖

由于反時限的長延時保護不是在確定的時間動作，因此在實際的設計過程中，斷路器長延時的設定是通過確定斷路器長延時起動電流及6倍起動電流時的動作時間，以便確定其工作特性。從上述分析中可以看出，若按照規(guī)范所建議的生搬硬套來整定的話，斷路器的長延時段對發(fā)電機已經(jīng)起不到保護作用。通常做法是將長延時起動電流整定在發(fā)電機的額定電流附近，然后選取合適的6倍起動電流時的動作時間，確保發(fā)電機主開關在流經(jīng)電流為額定電流的125%～135%范圍內(nèi)時，能在延時時間15～30 s內(nèi)動作。

3　結(jié)語

船舶電力系統(tǒng)的選擇性保護設計是在進行系統(tǒng)設計時必不可少的環(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。作為船舶電氣的設計人員，應該對其有足夠的重視。選擇性保護涉及到的內(nèi)容還有很多，本文僅針對設計過程中遇到的幾個容易引起誤解的地方進行了分析，希望能對設計人員起到一定的啟發(fā)作用。

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

［2］中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范——第4分冊［M］.北京：人民交通出版社，2014.

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

［4］嚴支斌，等.新型微機反時限過流保護曲線特性研究［J］.中國高等學校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第二十屆學術(shù)年會論文集.

Misconceptions Analysis of Discrimination Protection in Ship Electrical System

Wang Zheng-jiaGu Wei-jie

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

Over current discrimination protection design played an important role in ship electrical system's safety performance.However，some designers didn't study it deep enough，there were some confusion in relevant definitions and designs.In order to help designers to have correct understanding of electrical system discrimination protection，this article analyzed some typical cases which had been encountered during design work.These could serve as reference for relevant electrical system design in the future.

total discrimination；partial discrimination；energy-based trip；inverse time-delay protection

U673.37

A

1001-4624（2015）01-0075-04

國家科技支撐計劃課題（2012BAG03B02）。

2014-09-03；

2015-03-12

王正甲（1984—），男，工程師，從事船舶電氣設計工作。顧偉杰（1980—），男，高級工程師，長期從事船舶電氣設計和管理工作。