船舶高壓電站中的短路故障及保護(hù)方法

楊振華 中交廣州航道局有限公司

1.電力管理系統(tǒng)組成

在基于CAN（ControllerArea Net work，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中，JACOM-22型電力管理系統(tǒng)屬于較全面的全分布式智能型PMS（PowerManagement System，電力管理系統(tǒng)）。

分別對(duì)各發(fā)電機(jī)的控制屏幕進(jìn)行合理配套，均包含主單元、顯示單元、操作單元。依托于CAN-BUS，實(shí)現(xiàn)主單元間的數(shù)據(jù)通信且CAN總線可傳遞通信信號(hào)，也能夠根據(jù)實(shí)際需求對(duì)電站參數(shù)做合理化的調(diào)整。針對(duì)電站的操作與控制具有便捷性，員工可在操作站高效完成。從系統(tǒng)組成的角度來看，主單元為關(guān)鍵組成部分，具體又以帶微控制器的I/O模塊為主。硬件配置方面，主單元與CAN主線相連，配套的是I/F組件，在其支持下完成A/D轉(zhuǎn)換操作。

2.短路故障分析

短路故障類型多樣，常見有三種，即兩相對(duì)地、兩相間與三相短路。在日常運(yùn)行中，若發(fā)生船舶高壓電站短路的情況，可采用對(duì)稱分量法加以處理，其基本思路是將不對(duì)稱的三相電壓相量和三相電流相量做分解處理，經(jīng)此操作后，產(chǎn)生的是三相頻率對(duì)稱電壓和對(duì)稱電流，具體的對(duì)稱分量，如圖1所示。

圖1 對(duì)稱分量示意圖

結(jié)合圖1信息展開分析：I A+/IB+/IC+幅值相同、IA-/IB-/IC-幅值相同，前者的相位順時(shí)針方向差值、后者的相位逆時(shí)針方向差值均為120°，分別視為正序分量、負(fù)序分量；IA0/IB0/IC0幅值一致，因其方向一致，所以該幅值叫做零序分量。

2.1 單相接地短路

2.2 兩相接地短路

雖然，在三種短路故障中，兩相接地短路出現(xiàn)頻率并不高，但同樣存在出現(xiàn)這一故障的可能性。在該故障中，幅值總相等，此時(shí)的電流值大小遠(yuǎn)超過正常電流值，且故障位置電壓值為0。

2.3 三相短路

三相短路也是較為普遍的故障，此時(shí)系統(tǒng)無負(fù)序、零序電流，僅有正序電流。此外，該問題發(fā)生時(shí)，各短路相電流值完全一致。

2.4 短路保護(hù)原理及算法

2.4.1 對(duì)稱性短路保護(hù)

電流值是重要的參數(shù)，可以作為三相對(duì)稱性短路故障分析的關(guān)鍵參考，也就是說短路保護(hù)電流值大小是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流和其他設(shè)施限定電流的總和。圖2呈現(xiàn)了對(duì)稱法短路保護(hù)的具體特征。

結(jié)合圖2內(nèi)容展開分析。圖中，曲線1為大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性，曲線2、3則反映的是在三相短路整定值不一致的條件下所存在的保護(hù)特性；曲線上a、a’、b、b’、c、c’依次表示曲線反時(shí)限、定時(shí)限以及速斷保護(hù)曲線?？梢姡^之于整定電流，若電流值高于該值，將及時(shí)啟動(dòng)保護(hù)。然而，若是啟動(dòng)的時(shí)候電機(jī)電流值偏大，那么線路短路電流并無明顯異常，此時(shí)便不易進(jìn)行整定。因此，在部分工程場(chǎng)景中，對(duì)短路電流的整定值做特定的設(shè)置，取額定電流的10倍，此方法的優(yōu)勢(shì)在于可躲開起動(dòng)電流，但值得注意的是，如果啟動(dòng)電流偏大，還是無法判斷是否出現(xiàn)了三相短路故障，極易出現(xiàn)誤判。

圖2 過流保護(hù)特性和大電流啟動(dòng)特性

船舶項(xiàng)目中最常見的發(fā)動(dòng)機(jī)便是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，該設(shè)備在啟動(dòng)之初將產(chǎn)生較大電流，但其功率因數(shù)卻能夠一直保持較低的水平。而一旦其出現(xiàn)三相短路，此時(shí)功率因數(shù)將明顯升高。由此可見，施工人員可以通過觀察電流、功率因數(shù)等的參數(shù)的變化了解電動(dòng)機(jī)是否出現(xiàn)了故障。基于此，該保護(hù)方式可稱為相敏保護(hù)法，通過這一方法即可大大降低三相短路故障發(fā)生的可能性。

2.4.2 不對(duì)稱性短路保護(hù)

相敏保護(hù)不擁有保護(hù)特征。上文通過分析對(duì)稱分量的變化過程可以發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目出現(xiàn)不對(duì)稱故障的問題時(shí)，線路將出現(xiàn)負(fù)序電流。因此，可著重考慮兩相短路和單相斷相，分別探討各自對(duì)應(yīng)的負(fù)序電流值，針對(duì)該指標(biāo)做出分析后判斷是否有不對(duì)稱故障。

3.短路故障保護(hù)算法的仿真分析

在常規(guī)的船舶高壓電站短路故障中，受周邊自然環(huán)境及船體自身因素的制約，短路故障會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“亦真亦假”的現(xiàn)象，這很不利于后續(xù)作業(yè)的順利開展?；诖?，技術(shù)人員會(huì)在短路故障保護(hù)計(jì)算中，借助專業(yè)的系統(tǒng)模塊對(duì)實(shí)際的故障情況做一個(gè)真?zhèn)伪鎰e。

3.1 故障保護(hù)算法中的S-函數(shù)實(shí)現(xiàn)

該算法的展開是借助一定的系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)，其中的S-函數(shù)格式兼具識(shí)別及撰寫功能，在具體計(jì)算過程中，可對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的系統(tǒng)模塊予以代碼轉(zhuǎn)換，并生成單獨(dú)的特定文件，故S-函數(shù)法被大量的運(yùn)用到故障保護(hù)計(jì)算當(dāng)中。

除此之外，介于三相程序中分量分析元件的特殊性，必要時(shí)還需對(duì)實(shí)際的電壓及電流情況予以數(shù)據(jù)矯正和采集工作，并遵守正序、負(fù)序和零序的前后順序逐一展開，由此便可簡(jiǎn)化整個(gè)計(jì)算過程，根據(jù)最后所得數(shù)值對(duì)故障值展開調(diào)整，直到故障解除為止。

3.2 短路保護(hù)算法仿真

如上所述，技術(shù)人員在對(duì)故障保護(hù)計(jì)算結(jié)束后，需再次以三相電壓源為供電源的基礎(chǔ)條件，對(duì)會(huì)出現(xiàn)的短路情況展開保護(hù)計(jì)算。具體計(jì)算之前需對(duì)以下參數(shù)展開設(shè)置：電源線連接類型：Y型；電壓設(shè)置：6000V；初始相角設(shè)置：O°；傳輸電路：以分布式對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)電線路的傳輸，其中輸電線路需按照兩根不同長度的線型展開布置，長度分別控制在3km和2km左右。

設(shè)置完畢之后，可通過三相不同的電路對(duì)短路故障的發(fā)生器逐一展開短路試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)各自產(chǎn)生的電流及電壓分量參數(shù)予以記錄，最后利用特定的模塊系統(tǒng)構(gòu)建單獨(dú)的保護(hù)元件，由此完成整個(gè)短路故障的計(jì)算過程。

4.系統(tǒng)主要功能

4.1 控制功能

JACOM-22系統(tǒng)具有較強(qiáng)的控制功能，通過對(duì)發(fā)電機(jī)、原動(dòng)機(jī)的有效控制，達(dá)到保護(hù)效果，使發(fā)電機(jī)控制電路和原動(dòng)機(jī)均維持良好的狀態(tài)。

JACOM-22系統(tǒng)的控制功能具有多樣化的特征，包含頻率控制、發(fā)電機(jī)組起動(dòng)/停車控制、SG轉(zhuǎn)速負(fù)荷控制、發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)保護(hù)等多重功能。配套的操作單元面板有突出的人機(jī)交互特性，可以借助該載體實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)控制的效果。在實(shí)際操作中，按下“AUTO”和“STBY”按鈕，可啟動(dòng)全自動(dòng)控制功能，運(yùn)行程序，機(jī)組自動(dòng)根據(jù)指令做出相應(yīng)的動(dòng)作，主要包含啟動(dòng)、并車、解列、停車、調(diào)頻調(diào)載，整個(gè)流程的順暢性較好，動(dòng)作精準(zhǔn)。

4.2 監(jiān)視功能

JACOM-22具有監(jiān)視功能，可掌握匯流排、原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，若現(xiàn)場(chǎng)存在故障將及時(shí)做出感應(yīng)。機(jī)艙監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)做出相應(yīng)的調(diào)控動(dòng)作，以維持供電的穩(wěn)定性。

4.2.1 監(jiān)視功能細(xì)分

（1）主匯流排監(jiān)視。主匯流排高（低）電壓、主匯流排高（低）頻率。

（2）發(fā)電機(jī)監(jiān)視。發(fā)電機(jī)電壓異常而跳閘、自動(dòng)同步合閘失敗、VCB故障跳閘、過電流、低負(fù)荷、逆功率等。

（3）系統(tǒng)監(jiān)視?？刂齐娫吹蛪?、發(fā)電機(jī)電流互感器CT監(jiān)視、發(fā)電機(jī)電壓互感器VT監(jiān)視、主匯流排電壓互感器監(jiān)視、自檢功能。

（4）原動(dòng)機(jī)監(jiān)視。起動(dòng)失敗、原動(dòng)機(jī)停車失敗、冷卻水高溫、超速、滑油低壓等。

4.2.2 用戶規(guī)定故障的對(duì)應(yīng)等級(jí)

船舶電力系統(tǒng)存在異常時(shí)，JACOM-22系統(tǒng)可及時(shí)感應(yīng)該狀況，有效判斷發(fā)動(dòng)機(jī)與原動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合故障等級(jí)和實(shí)際情況，設(shè)定一定數(shù)量的備用發(fā)電機(jī)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換發(fā)電機(jī)功能。JACOM-22系統(tǒng)對(duì)故障做等級(jí)劃分處理，共形成7個(gè)等級(jí)，在此基礎(chǔ)上，可根據(jù)故障等級(jí)采取相應(yīng)的監(jiān)視控制措施，在該高精度匹配的模式下保證船舶供電的安全性。作為船舶用戶，可結(jié)合實(shí)際情況規(guī)定故障對(duì)應(yīng)的等級(jí)。具體的等級(jí)劃分情況如下：

（1）1故障等級(jí)0。LCD顯示報(bào)警信息，并輸出外部報(bào)警信號(hào)。

（2）故障等級(jí)1。備用發(fā)電機(jī)開始運(yùn)行，并同步合閘。

（3）故障等級(jí)2。故障出現(xiàn)后，備用發(fā)電機(jī)開始運(yùn)行，并同步合閘，故障發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移負(fù)荷、VCB脫扣。

（4）故障等級(jí)3。故障發(fā)電機(jī)的VCB脫扣，備用發(fā)電機(jī)運(yùn)行并同步合閘。若遇到斷電的情況，此時(shí)備用發(fā)電機(jī)的VCB也將自動(dòng)合閘。

（5）故障等級(jí)4。故障發(fā)電機(jī)的VCB脫扣，備用發(fā)電機(jī)建立電壓，除此之外的其它各發(fā)電機(jī)的VCB脫扣；持續(xù)1s后，備用發(fā)電機(jī)的VCB合閘。

（6）故障等級(jí)5。故障發(fā)電機(jī)的VCB脫扣，原動(dòng)機(jī)停車，備用發(fā)電機(jī)起動(dòng)。

（7）故障等級(jí)6。備用發(fā)電機(jī)起動(dòng)并自動(dòng)合閘，故障發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移負(fù)荷、VCB脫扣。

5.故障自診斷及處理

JACOM-22系統(tǒng)的功能豐富，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，其具備故障自診斷的能力。針對(duì)電站運(yùn)行中存在的故障，電力管理系統(tǒng)基本具備自動(dòng)處理的能力，同時(shí)可借助某些措施來調(diào)整工作環(huán)境，營造正常供電的良好狀態(tài)。但需注意的是，對(duì)于本身系統(tǒng)故障等相關(guān)高等級(jí)故障，其發(fā)生機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，不具備自動(dòng)處理的條件，此時(shí)則需要由船舶管理專員采取針對(duì)性的處理措施，盡可能在較短的時(shí)間內(nèi)快速處理故障，恢復(fù)正常狀態(tài)。

對(duì)于系統(tǒng)自身故障，根據(jù)其嚴(yán)重程度可分為兩大類：一是輕度故障，可以借助顯示單元予以呈現(xiàn)，做出故障報(bào)警，在此類故障發(fā)生后控制模式仍維持不變；二是嚴(yán)重故障，此時(shí)也將經(jīng)由顯示單元進(jìn)行故障報(bào)警，經(jīng)過相應(yīng)的處理后，AUTO和直到故障被消除后，才可有效恢復(fù)AUTO和STNDBY模式。匯流排短路是最典型的“嚴(yán)重故障”，一旦發(fā)生，系統(tǒng)將自行轉(zhuǎn)為手動(dòng)方式，所有的自動(dòng)功能均失效。

6.其他短路問題的預(yù)防

6.1 外部環(huán)境的管理

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件惡劣，存在諸多外部干擾因素，在多重因素的共同作用下可能會(huì)影響到設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致其出現(xiàn)短路故障。為此，需高度重視短路故障的預(yù)防工作，在此方面有必要加大對(duì)外部環(huán)境的監(jiān)測(cè)力度，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷實(shí)際情況，進(jìn)而采取針對(duì)性的管理措施，以免因環(huán)境因素而誘發(fā)短路故障。

6.2 提高安裝調(diào)試水平

首先，以規(guī)范的方式安裝，加大對(duì)高壓開關(guān)柜的防護(hù)力度，以免其在安裝中發(fā)生磕碰，否則可能會(huì)導(dǎo)致骨架變形、防腐層刮花等問題，不利于高壓開關(guān)柜的正常運(yùn)行。

其次，在并排柜體安裝環(huán)節(jié)，必須加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)槽鋼水平度的檢測(cè)與控制，要求每米的誤差小于1mm。在安裝中置柜時(shí)，其配套的基礎(chǔ)應(yīng)滿足高度要求。地坪需保持平整，不可存在臺(tái)階，以便手車的順暢出入。運(yùn)輸安裝期間，有效防護(hù)真空滅弧室，自配的主母線需滿足要求，在規(guī)定主母線的安裝中，真空開關(guān)頂部需用硬板蓋住。對(duì)于連接電氣元件的母線，需要注重接頭部位的精細(xì)化處理，盡可能保證該部位的穩(wěn)定性。電流較大時(shí)，對(duì)接頭部位做鍍銀處理，以保證接頭部位的可靠性。柜體接地主母線安裝環(huán)節(jié)，需要確保該部分線路與接地網(wǎng)形成穩(wěn)定的連接關(guān)系。

最后，以設(shè)計(jì)線路為準(zhǔn)，有序完成柜體二次引線電纜的敷設(shè)作業(yè)，合理調(diào)整空間位置，要求運(yùn)動(dòng)件可自由活動(dòng)。此外，考慮到裸銅與裸銅連接處易氧化的情況，需刷涂防護(hù)劑。

7.結(jié)語

綜上所述，JACOM-22型電力管理系統(tǒng)集多重功能于一體，可提供控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)、管理多重服務(wù)，系統(tǒng)融入以網(wǎng)絡(luò)通信、信息處理、控制與調(diào)節(jié)為代表的一系列前沿技術(shù)，在多重技術(shù)的共同促進(jìn)作用下有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。并且，得益于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的特性，后期針對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)管理工作量隨之減少，可減少資源投入和成本投入?？傮w來看，船舶電力管理系統(tǒng)有其突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具有推廣價(jià)值。