艦船電力系統(tǒng)保護性能測試分析

(91404部隊91分隊，河北 秦皇島 066001)

艦船電力系統(tǒng)保護性能對艦船生命力起著非常重要的作用。目前艦船電力系統(tǒng)保護研究主要集中在艦船研制階段保護方案的設(shè)計[1-2]，或用各種優(yōu)化方法函數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行保護策略優(yōu)化評估[3- 9]。然而，用戶更關(guān)心的是實船電力系統(tǒng)保護性能測試結(jié)果，而不是概率統(tǒng)計值。新型艦船在建造完成交付用戶使用前，需由軍方對其保護性能進(jìn)行鑒定。為此，從新型艦船電力系統(tǒng)各分系統(tǒng)組成角度分析實船測試保護指標(biāo)及相關(guān)試驗方法，將系統(tǒng)保護概念具體化直觀化，形成一套完整的測試方案，并應(yīng)用于某型艦船性能鑒定工作。

1 艦船電力系統(tǒng)保護測試指標(biāo)

系統(tǒng)保護設(shè)計基本要求必須滿足完全性、快速性、選擇性、靈敏性、可靠性[10]。本文除了考查各級斷路器通斷設(shè)定及保護分級設(shè)計，還考查系統(tǒng)運行過程中故障顯示報警保護功能。及故障后自處理能力。以某艦船電力系統(tǒng)組成(圖1)為例，對保護指標(biāo)進(jìn)行分析。

1.1 發(fā)電功能系統(tǒng)保護

艦船2個電站，每個電站由2臺或3臺發(fā)電機組組成。某艦船發(fā)電功能系統(tǒng)單線見圖2。

1.1.1 發(fā)電機組裝置。

發(fā)電機組裝置由柴油機和發(fā)電機2部分組成，共列指標(biāo)37項，見表1。

運行過程中各管路油壓水壓溫度等及動力部件運行指標(biāo)超出安全范圍的保護功能。指標(biāo)分開關(guān)量和數(shù)值量，數(shù)值量由機組規(guī)格而定。

系統(tǒng)對指標(biāo)項要有監(jiān)測報警保護功能，且延伸到規(guī)定部位。報警顯示部位有柴油機機旁控制箱、機組裝置主控箱、機組控制器、電站控制器、電力集控臺。

1.1.2 主配電板控制屏

主配電板控制屏由發(fā)電機組控制屏、母聯(lián)屏、岸電屏、負(fù)載屏組成，共列指標(biāo)23項。

本區(qū)域發(fā)電機組和主斷路器監(jiān)測、控制、保護，與其他區(qū)發(fā)電設(shè)備并聯(lián)和聯(lián)鎖操作，通過岸電屏接入岸電等功能。

表1 發(fā)電機組裝置保護報警功能指標(biāo)

1)主斷路器整定指標(biāo)列項。主干網(wǎng)各個斷路器包括發(fā)電機組斷路器、母聯(lián)斷路器、跨接斷路器和岸電斷路器。根據(jù)負(fù)載及電路設(shè)計設(shè)定不同整定值，實現(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò)時間和電流原則保護。設(shè)有長延時、短延時、瞬時、預(yù)報警，發(fā)電機還要設(shè)有逆功的保護，除母聯(lián)斷路器外還要有欠壓保護。對圖2中的斷路器列項，見表2。

2)發(fā)電機組起動運行指標(biāo)列項。對于機組起動或同步并機運行中出現(xiàn)故障，通過斷路器通斷實現(xiàn)保護，該部分保護在機組控制器、主配電板

表2 斷路器自身動作值設(shè)定指標(biāo)

注：表中Ie為各對應(yīng)保護設(shè)備的額定電流值。試驗時在動作值的±15%內(nèi)脫口，欠壓設(shè)定值在136.5～273.0 V(即35%UN～70%UN)為合格，——表示保密)。

電站控制器和電力集控臺報警顯示共列指標(biāo)15項，見表3。

表3 機組運行過程保護測試指標(biāo)

3)匯流排保護指標(biāo)列項。前后主配電板各設(shè)有3個匯流排。設(shè)有電壓和頻率越限保護。報警顯示部位在主配電板電站控制器、電力集控臺。共列指標(biāo)4項，見表4。

表4 主匯流排保護指標(biāo)

1.2 配電功能系統(tǒng)保護

配電部分保護監(jiān)控功能在配電網(wǎng)絡(luò)各裝設(shè)備中實現(xiàn)，按照設(shè)備進(jìn)行指標(biāo)列項。

1)主配電設(shè)備保護指標(biāo)列項。主配電設(shè)備及電能流程見圖3。

主配電設(shè)備有2～4級保護，排列順序是：啟動器(或控制箱)(第1級)→分配電箱或負(fù)載中心(第2級)((負(fù)載中心或大容量區(qū)域配電板(第3級)→主配電板負(fù)載屏(第4級)。第4級按電流和時間原則，其余3級按電流原則進(jìn)行保護，分級整定動作電流值。根據(jù)不同供電需求采用不同的保護級數(shù)，共列指標(biāo)5項，見表5。

表5 主配電系統(tǒng)保護測試指標(biāo)

2)事故配電設(shè)備保護指標(biāo)列項。事故配電設(shè)備只設(shè)短路保護，不設(shè)過載保護，通過發(fā)電機端應(yīng)急接插盒內(nèi)的塑殼斷路器實現(xiàn)短路保護。事故電網(wǎng)保護指標(biāo)列1項。

3)應(yīng)急配電網(wǎng)絡(luò)保護指標(biāo)列項。新型艦船對應(yīng)急配電進(jìn)行連網(wǎng)，保護分3級，UPS、DC/ DC變換電源配置裝置(第1級)((直流應(yīng)急配電板(第2級)((蓄電池組出口斷路器(第3級)。應(yīng)急電力設(shè)備所有保護器件均只設(shè)置短路瞬時保護，不設(shè)置過載保護。列指標(biāo)3項，見表6。

表6 應(yīng)急配電網(wǎng)絡(luò)保護指標(biāo)列項

1.3 消磁功能系統(tǒng)指標(biāo)列項

從消磁電源方面進(jìn)行保護列項，共列指標(biāo)6項，見表7。

表7 消磁功能系統(tǒng)

1.4 電力監(jiān)控功能系統(tǒng)指標(biāo)列項

系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障，電站控制器和配電設(shè)備控制器完成控制處理的功能。共列指標(biāo)6項，見表8。

1.5 電力輔助功能系統(tǒng)

對應(yīng)急電力設(shè)備進(jìn)行列項。共列指標(biāo)8項，見表9。

表8 電力監(jiān)控功能系統(tǒng)保護指標(biāo)

表9 應(yīng)急電力設(shè)備測試指標(biāo)

2 艦船電力系統(tǒng)保護測試方法

艦船性能鑒定測試方案要有實用性、系統(tǒng)性、全面性及可行性[11]。鑒定試驗流程見圖3。

結(jié)合某型艦船性能鑒定試驗，對指標(biāo)進(jìn)行梳理分類，對指標(biāo)進(jìn)行測試方法分析。

2.1 機組自身保護報警類指標(biāo)測試

發(fā)電機組自身保護。機組啟動或運行過程中滑油、淡水、海水、排氣相關(guān)壓力流量溫度等保護。表1中對應(yīng)指標(biāo)。

報警功能采用模擬故障工況，檢查故障保護功能動作正確性和報警信號顯示有效性。壓力試驗通過壓力測試儀給相應(yīng)壓力傳感器施壓來模擬，溫度傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱來模擬，開關(guān)量直接用短接或斷開線路進(jìn)行模擬。部分模擬量直接修改采集參數(shù)進(jìn)行模擬。

1)定子繞組熱保護。對發(fā)電機端子排斷開PTC(繞組溫度高)的熱敏電阻接線，接入電阻箱，調(diào)整電阻使其達(dá)到報警，記錄定子繞組熱報警情況。

2)機組滑油壓力低。用壓力鉗打壓滑油壓力傳感器，到LOP1(機旁控制箱)報警消除后，緩慢降低壓力鉗壓力，直到報警，記錄機組滑油壓力低報警情況。

3)機組滑油溫度高。斷開滑油溫度傳感器，接入電阻箱，調(diào)整電阻箱阻值，記錄機組滑油溫度高報警情況。

4)機組超速保護試驗。機組超速保護整定范圍為1 695～1 725 r/min，采用模擬方法實現(xiàn)(換算系數(shù)0.85)，具體步驟如下：機組起動后，使機組的轉(zhuǎn)速低于1 440 r/min，按下機組機旁控制箱內(nèi)“超速試驗”按鈕，然后緩慢升高柴油機轉(zhuǎn)速至1 466 r/min，期間機組應(yīng)能應(yīng)急停機；記錄柴油機控制箱的超速報警、機組嚴(yán)重故障報警情況。

5)機組緊急停機試驗。機組啟動后，按動緊急停機按鈕進(jìn)行停機試驗。在柴油機控制箱、主配電板和電力集控臺分別進(jìn)行。記錄機組立即停機、機組嚴(yán)重故障報警情況。

2.2 發(fā)電功能系統(tǒng)各斷路器保護類指標(biāo)測試

主斷路器開斷和電氣參數(shù)超標(biāo)報警等動作情況。表2～4中對應(yīng)指標(biāo)。

通過模擬的方式，使斷路器流經(jīng)電流電壓頻率功率等達(dá)到報警或開斷；傳遞給斷路器對應(yīng)故障發(fā)生時出現(xiàn)模擬信號，檢查并記錄對應(yīng)斷路器通斷及報警狀況。

1) 欠壓保護檢查。在機組停機過程中，模擬發(fā)電機失壓(在主開關(guān)合閘情況下停機)，當(dāng)電壓降至欠壓保護動作值時，發(fā)電機主開關(guān)應(yīng)自動分?jǐn)?。岸電斷路器和跨接斷路器，?dāng)電壓降至欠壓保護動作值時，對應(yīng)主開關(guān)應(yīng)自動分?jǐn)唷?/p>

2) 逆功率保護檢查。反接發(fā)電機逆功率繼電器電流輸入信號，緩慢增加負(fù)載，模擬進(jìn)行逆功率動作保護試驗。

3) 斷路器過電流保護試驗。在做發(fā)電機主開關(guān)過電流保護試驗時，使機組在(80%～90%)PN下運轉(zhuǎn)，突加無功負(fù)載使電流大于發(fā)電機主開關(guān)和跨接開關(guān)過電流長延時考核動作值，并經(jīng)一定延時時間后跳閘。具有電子脫扣器的主開關(guān)可進(jìn)行模擬試驗。

4) 發(fā)電機內(nèi)部短路保護功能試驗。發(fā)電機空載接通發(fā)電機主開關(guān)，加三相30%左右額定電流的負(fù)載，模擬發(fā)電機內(nèi)部短路。半自動情況下發(fā)電機滅磁、發(fā)電機主開關(guān)跳閘、柴油機停機、機組控制器內(nèi)部短路報警。

2.3 分系統(tǒng)設(shè)備保護報警顯示類指標(biāo)測試

各分系統(tǒng)自身設(shè)備保護。如表5～7、表9中對應(yīng)指標(biāo)。

線路設(shè)計合格，選用斷路器繼電器自身產(chǎn)品合格，判定為整體合格。抽檢部分線路模擬短路，查看該路切斷對同級線路和上級線路的影響。檢查各設(shè)備自身報警及顯示功能。

2.4 運行故障處理監(jiān)控控制類指標(biāo)測試

電力系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)處理能力。表8對應(yīng)指標(biāo)。

電力系統(tǒng)正常運行，通過加減無功電流等方式人為制造相應(yīng)故障。記錄系統(tǒng)自身動作情況。

1)調(diào)頻調(diào)載功能。在機組啟動空載運行，并網(wǎng)運行過程中記錄調(diào)頻情況。

2)卸載功能試驗。對斷路器整定值進(jìn)行設(shè)計，以2級配電區(qū)域控制器卸載試驗為例說明，見表10。

表10 卸載功能試驗

注：以同樣的方式人為模擬XX#機組斷路器電流>110%IGe和人為模擬XX跨接斷路器電流>90%Ike指示與上述判定準(zhǔn)則延時不同進(jìn)行重復(fù)試驗。

3)自啟動試驗。負(fù)荷增大或故障，機組自啟動，試驗過程見表11。

表11 自啟動功能試驗

4)自動增機及越控增機功能試驗。分別在越控和非越控、單機組、雙機組、三機組運行條件下，增加負(fù)載，機組負(fù)荷達(dá)到設(shè)定值時啟動優(yōu)先級最高的機組并網(wǎng)。記錄相關(guān)情況。

5)自動減機及越控減機功能試驗。負(fù)載減小時減機，見表12。

表12 自動減機及越控減機功能試驗

3 結(jié)論

1)從各分系統(tǒng)角度對艦船電力系統(tǒng)保護性能實船測試進(jìn)行指標(biāo)列項，同時又要從全系統(tǒng)角度對運行工況指標(biāo)列項，重點測試運行故障處理的相關(guān)保護。

2)部分保護指標(biāo)測試具有破環(huán)性，測試比較困難，采用模擬電流或信號方式進(jìn)行。建議在艦船建造階段，對各保護元件本身及設(shè)計安裝做好測試，實船測試采信相關(guān)結(jié)果。

3)所形成的該型號艦船電力系統(tǒng)保護性能測試方案對后續(xù)新型艦船用前性能鑒定試驗有借鑒作用。