大容量發(fā)電船的電氣保護技術(shù)

劉 峰, 李榮宗, 王志輝

(1.上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135; 2.南通中遠船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力需求迅速增長，電力供給缺口日益增大。由于投資傳統(tǒng)的熱電廠具有周期長、基礎(chǔ)設(shè)施要求高和投資回報慢等缺點，使得發(fā)電船的需求日益旺盛。與傳統(tǒng)的陸上發(fā)電廠相比，發(fā)電船具有建造效率高和建成投產(chǎn)周期短等特點，同時能最大限度地減少土地占用面積，且無需大量基礎(chǔ)配套設(shè)施，具有快速部署和靈活應(yīng)用的優(yōu)勢，不僅能為其所在的城市或島嶼供電，而且能通過電力網(wǎng)絡(luò)將電力輸送至其他需要用電的地方。因此，近年來發(fā)電船成為快速填補電力缺口的首要選擇。本文主要以200 MW發(fā)電船研究課題為背景，對電氣保護技術(shù)進行分析。

1 發(fā)電船概況

發(fā)電船(見圖1)裝有成套的發(fā)電設(shè)備和輸電設(shè)備，可作為可移動的水上電站,主要用來為近水域工業(yè)區(qū)、海島或其他船舶供電，亦可為近岸中小型城市供電。發(fā)電船主要通過長期系泊在碼頭、內(nèi)河或島礁沿岸，為港口船舶和急需電力供應(yīng)的島礁供電，同時可作為沿海中小型城市電網(wǎng)的補充，或通過電網(wǎng)將電力輸送到內(nèi)陸地區(qū)。

圖1 發(fā)電船示意

本文所述發(fā)電船以液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)為燃料，發(fā)電功率約為200 MW。該船的艏艉各設(shè)置有1個機艙和配電室，均布置有10臺發(fā)電機組和相應(yīng)的配電板，每臺發(fā)電機組的額定功率約為10 MW，額定電壓為11 kV，頻率為50 Hz，這樣艏艉區(qū)域分別可提供的發(fā)電功率約為100 MW。發(fā)電船側(cè)視圖見圖2。

圖2 發(fā)電船側(cè)視圖

2 發(fā)電船電氣保護技術(shù)

近年來，隨著發(fā)電船的電力系統(tǒng)容量逐步增大，電壓等級逐漸升高，高壓電力系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。同時，結(jié)合船舶規(guī)范和電力行業(yè)規(guī)范的綜合應(yīng)用，發(fā)電船電氣保護技術(shù)研究已取得一定的成效，但在設(shè)計和使用過程中仍有一些問題需重點關(guān)注，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 中性點接地保護

繼電保護設(shè)置既可考慮電流互感器的變比和流入保護回路的電流大小，又可按照《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》(GB/T 14285—2006)的規(guī)定，在發(fā)生單相接地故障時將流經(jīng)電阻的電流限制在5 A以下[1]，選擇合適的阻值。

根據(jù)DNV GL《船舶入級規(guī)范》的規(guī)定,系統(tǒng)中性點通過一個電阻接地，其電阻值等于或稍小于單相對地之間容抗值的1/3；根據(jù)IEEE Std C62.92.1—2000中給出的高電阻接地方式對過電壓的抑制試驗，若使過電壓水平抑制在2.6倍正常值以下，則接地電阻的阻值必須小于系統(tǒng)容抗值。綜合上述要求，接地電阻的值Rn[2]一般取為

(1)

式(1)中:Co為系統(tǒng)對地電容；Xcn為系統(tǒng)對地容抗；ω為角速度，ω=2πf(f為頻率)。

根據(jù)式(1)計算出接地電阻的接近值，再結(jié)合《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的故障電流允許值，即可得到合適的接地電阻阻值。發(fā)電船中性點接地保護示意見圖3。

圖3 發(fā)電船中性點接地保護示意

2.2 差動保護

當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生短路故障時，會形成很大的沖擊電流，產(chǎn)生的強大電弧會燒毀定子繞阻絕緣，甚至可能引發(fā)火災(zāi)，后果非常嚴(yán)重。對于該情況,一般采用差動保護，可解決定子接地或定子繞組間的短路問題。顯然,設(shè)置發(fā)電機內(nèi)部故障保護系統(tǒng)是很有必要的。

差動保護是利用基爾霍夫電流定理實現(xiàn)的，一般包含發(fā)電機差動保護和變壓器差動保護，二者的基本原理是一致的，即各側(cè)或各元件的電流互感器按差接法接線。

發(fā)電機差動保護的區(qū)域一般包括發(fā)電機繞組和發(fā)電機至斷路器的電纜。由基爾霍夫電流定律可知:當(dāng)該差動保護系統(tǒng)正常運行時,發(fā)電機繞組電流I1與外部線路電流I2的瞬時值之差為零;當(dāng)該系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)部短路故障時，I1與I2的差值不為零，這樣就可斷開發(fā)電機主開關(guān)并消磁，使發(fā)電機停止運行。發(fā)電機差動保護示意見圖4。

圖4 發(fā)電機差動保護示意

在考慮兩端電流互感器的測量范圍和測量誤差、發(fā)生外部故障時保護區(qū)域內(nèi)提供的電容和電流等誤差因素之后，通常采用具有制動特性的比率差動保護。差動保護繼電器的最小動作電流整定值一般作以下設(shè)定。

1) 對于發(fā)電機差動保護，發(fā)電機差動保護繼電器的最小動作電流IG.min應(yīng)大于發(fā)電機正常運行時的最大不平衡電流，在工程設(shè)計中一般取為

(2)

式(2)中：nCT為電流互感器變比；InG為發(fā)電機額定電流。

2) 對于變壓器差動保護,根據(jù)系統(tǒng)保護需要，大容量變壓器可采用差動保護，并推薦采用具有比率制動特性的差動保護，其差動保護繼電器的最小動作電流IT.min的計算式可表示為

(3)

式(3)中：nCT為電流互感器變比；InT為變壓器額定電流。

2.3 繼電器保護

當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，必須有相應(yīng)的自動保護裝置對其進行保護，或?qū)⒐收喜糠旨皶r地從系統(tǒng)中切除，以保證非故障部分繼續(xù)工作；同時，發(fā)出報警信號，以便值班人員檢查并采取消除故障的措施，降低或消除事故的影響。自動保護裝置大多是由繼電器及其附屬裝置構(gòu)成的，故稱繼電器保護裝置。

繼電器保護裝置是基于電流增大而動作的原理工作的，要求符合時間原則并構(gòu)成階段式保護，具有簡單、可靠的特點，一般能滿足快速消除故障的要求，因此在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。目前船舶電力系統(tǒng)保護通常包括過載保護、短路保護、電壓保護、逆功保護、頻率保護和三相不平衡保護等，通?；陔娏髟瓌t和時間原則來達到選擇性保護的要求。

3 發(fā)電船輸送電系統(tǒng)保護

發(fā)電船在對外輸送電力時，通常需通過提升電壓來降低輸電電流，從而達到減少輸送電線路、降低功率損耗和與受電區(qū)域變電所電壓相匹配的目的。由于發(fā)電船輸送電的容量大、電壓高，在設(shè)計輸送電系統(tǒng)時需考慮以下內(nèi)容。

3.1 輸送電線路

發(fā)電船輸電上岸的線路方案通常有電纜輸送和架空線輸送2種,其中:電纜輸送簡單、方便、安全，但輸送容量小，且成本高，在小容量輸送領(lǐng)域應(yīng)用較多；架空線輸送容量大，在陸地上應(yīng)用廣泛，但在船上應(yīng)用較少。由于發(fā)電船的發(fā)電容量較大，電纜輸送已無法滿足其容量要求，因此在大容量發(fā)電船上引入陸地上廣泛采用的架空線輸送方式。這里主要介紹架空線輸送電線路在發(fā)電船上的應(yīng)用。

高壓架空線路主要指架空明線，是用絕緣子將輸電導(dǎo)線固定在直立于地面的桿塔(電桿和鐵塔的總稱)上，用以傳輸電能的輸電線路。架空線主要由導(dǎo)線、避雷線、桿塔、絕緣子和金具等原件組成,由于導(dǎo)線的安裝高度較高,且通常安裝在空曠區(qū)域，一般均需增設(shè)防雷裝置。導(dǎo)線是架空線路的主要組成部分，其主要功能是傳導(dǎo)電流、輸送電能；避雷線架設(shè)在導(dǎo)線的上方并接地，故又稱為架空地線，主要作用是將雷電電流引入大地；絕緣子是一種隔電部件，主要作用是使導(dǎo)線與導(dǎo)線之間和導(dǎo)線與大地之間絕緣。絕緣子應(yīng)具有良好的電氣性能和機械性能；導(dǎo)線和避雷線架設(shè)在露天環(huán)境內(nèi)，不僅要有良好的導(dǎo)電性能，而且要有良好的耐熱性能、機械性能和抗腐蝕性能。架空線的導(dǎo)線主要分為鋁絞線、鋼芯鋁絞線、銅絞線和防腐鋼芯鋁絞線等4種[3]，可根據(jù)實際作業(yè)區(qū)域的環(huán)境情況選擇合適的導(dǎo)線。

3.2 避雷保護

發(fā)電船的作業(yè)區(qū)域一般都比較偏遠、空曠，有的作業(yè)區(qū)域甚至環(huán)境比較惡劣；而架空線的架設(shè)高度較高，且是暴露在曠野環(huán)境中的，遭受雷擊的概率比較大。因此，結(jié)合規(guī)范、電網(wǎng)的電壓等級、負荷的重要性和作業(yè)環(huán)境情況，為發(fā)電船及電力輸送線路選擇合適的防雷擊保護裝置是很有必要的。

防雷擊保護裝置一般以避雷針和避雷線為主，二者的工作原理相似。避雷針主要以保護一定范圍內(nèi)的建筑物為主；避雷線主要用于保護架空線路免受雷擊。避雷線安裝在導(dǎo)線上方，并直接接地，用于降低雷擊導(dǎo)線的概率，保證線路的安全。

避雷線保護范圍的計算方法與避雷針相似，具體如下。

1) 單根避雷線保護范圍(見圖5)的計算方法可由以下計算式確定[4]。

(1) 當(dāng)hx≥h/2時，每側(cè)保護范圍的寬度的計算式為

rx=0.47(h-hx)P

(4)

(2) 當(dāng)hx

rx=(h-1.53hx)P

(5)

2) 2根等高平行避雷線的保護范圍(見圖6)可按單根避雷線的計算方法確定。

(1) 2根避雷線間各橫截面的保護范圍應(yīng)由通過2根避雷線及其保護范圍邊緣最低點O的圓弧確定，O點的高度的計算式為

hO=h-D/(4P)

(6)

式(6)中：hO為2根避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度,m；D為2根避雷線間的距離,m。

(2) 2根避雷線端部的外側(cè)保護范圍根據(jù)單根避雷線保護范圍計算。2根避雷線間端部的保護最小寬度bx應(yīng)按以下方法確定。

① 當(dāng)hx≥h/2時，bx應(yīng)按公式計算，即

bx=0.47(hO-hx)P

(7)

② 當(dāng)hx

bx=(hO-1.53hx)P

(8)

4 結(jié) 語

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電力需求不斷增長，結(jié)合市場需求和發(fā)電船的機動性和經(jīng)濟性，未來發(fā)電船的容量會越來越大，中高壓配電系統(tǒng)和陸用技術(shù)在船上應(yīng)用將常態(tài)化，發(fā)電船的安全性要求將進一步提高。本文根據(jù)發(fā)電船容量大、電壓高的特點，結(jié)合船舶規(guī)范和行業(yè)規(guī)范等方面的要求，對發(fā)電船的接地保護、差動保護、繼電保護、防雷保護和架空線輸送電保護等電氣保護技術(shù)進行了研究分析，為后續(xù)研制電氣保護裝置奠定了基礎(chǔ)，有助于提高發(fā)電船的適用性和安全性。