舰船用大型发电机保护方案配置

舰船用大型发电机保护方案配置

薄延珍

海军装备部   山西省太原市  030027

摘要：目前，大功率发电机已广泛应用于船舶，其安全可靠的运行是保障船舶动力系统正常运转的关键。本文介绍了船用大容量发电机的保护方案，并在此基础上，结合海上电网的实际情况，对船舶发电机采用纵差动保护进行了研究。同时，本文还对大型船舶发电机的过载保护、外部短路保护、欠压保护、逆向保护等方面进行了研究。

关键词：发电机；电力系统；纵差动保护；舰船

与陆地上的高压输运网络相比，海上电网的输电线路更短，输配电设备也更简单。由于受船舶空间的制约，电力设施相对集中，网线长度短，且均为电缆，因此，对发电机、电网的保护要比陆地上的要容易得多。按照国内船舶入级及建造标准，发电机必须设置过载、外部短路保护，同时对并联的发电机也要设置欠电压保护和反向保护。如果发生意外，会造成发电机的重大损伤，则应启动防护设备。当不会对发电机等电器造成损害或造成意外时，应确保持续的电力供应，使其不会对航行的安全造成不利的影响。以往，由于船用发电机是低压设备，需要定期检修，所以很难发生内部故障。此外，由于发电机与主配电盘间的缆线较短，因此本区段均未设置安全防护。随着现代科技的发展，船舶电气化和自动化程度的提高，船舶的载重要求也随之增加，而大功率的发电机在船舶中的应用也日趋广泛，因此，如何加强对大功率发电机的保护就显得十分必要。

1.差动保护

差动保护装置是检测发电机与主配开关之间线路是否短路或有接地现象的一种保护装置。如图1，

差动保护设备在发电机一侧和配电板一侧的每相上都安装了两个电流变压器，并且每个相位的电流都被设计为一个迭减，也就是差分电流是 Id=|i1-i2|，并且在同相发生器一侧检测到的次级电流的矢量差进入差动保护设备。由于两端电压等级相同、型号相同、变比相同、性能相同的变流器，其不均衡电流小于变压器纵联差动保护，故仅需考虑因两端电流互感性不一致而引起的不均衡电流，即 Ibp=0.1 KtxKfzqId, max/nl （1）

Ktx-电流互感器的等效系数；Kfzq-不连续的成分因子；Id、 max-最大短路电流周期成分 nl-变压器的变化比率。差动回路可以加入断线闭锁准则，以避免变压器二次环断线造成的保护误动作。在不符合灵敏度指标的情况下，可选用具有比例制动特性的差动继电器，使其启动电流随制动电流的变化而改变，从而在发生外部故障时，能够可靠地避开最大不均衡电流，同时也能确保内部故障的敏感性，其工作特点如下：

Ir< In, Iop=k1In （2）

Ir> In, Iop=k1In+k2 (Ir-In)(3）

Ir=|i1+i2|-制动电流， Iop-工作电流；i1、i2—差动继电器两端的二次电流，在差动电流 Id> Iop时，保护作用

微分保护内部检测回路，基于发电机能够经受的差动电流（典型地不大于5%)，决定是否下达对发电机的消磁指令，以及在主母线上的断开开关，使发电机处于待机状态，防止绕组线圈受到损伤，从而保护发电机，降低不必要的损耗。

2.发电机的过载保护

在船舶技术规范中，交流发电机的电流一般都是以电流为单位，而负荷则是以电流为单位。船舶电厂在使用过程中，当发生发电机容量达不到负荷需求或并联机组负荷分布不均衡时，会导致发电机过载。长时间的过载会导致发电机过热，造成绝缘的老化和破损；长时间的超负荷会造成原动机的使用寿命和零件的损伤。

对于发电机的超负荷，额定电流1.1倍时为2小时，额定电流1.25倍时为30分钟，额定电流为1.5倍时为5分钟。提出了一种单相时限电流保护方案，通过对信号的延迟操作，使运行电流在额定负载电流下可靠地恢复。

Iop= Krel- KreIld, max/na （4）

Krel-可靠性，通常选择1.05；Kre-回归系数，通常选取0.85~0.95；Ild， max-发电机的额定负载电流，通常用 Ign表示；na-变流器的变率。

延迟应该与以上额定电流过载情况下的发电机所容许的时间一致，并且比电网短路防护最小。

大延时（1至2) delta t。另外，在大型电动机启动或多个电动机同时启动时，启动电流会非常大，从而超出了发电机的额定功率，但是在这个时候，发电机的过载保护不会工作，而是要在一定的时间内避免过负荷。启动程序通常不会超过10秒。如果在距离发电机很远的地方发生短路，那么短路的电流就会超出这个范围，首先要让下一次的分路开关工作，这个过程通常只有几十到一百毫秒，所以为了避免过负荷，需要给发电机过载的时间。目前，大型船舶多使用数台大型发电机，当3台或更多的机组并联时，必须设置瞬态动作保护，并使断路器在比受保护的发电机略大的短路电流下瞬间断开。

动力超载的大小取决于原动机的类型，柴油机最大可支持1.1倍的额定功率为2小时，最大可支持1.1倍的额定功率为2小时，1.2次为30分钟，额定功率为1.35次。因此，就发电机自身而言，完全容许一定时间内的超负荷，无需马上跳闸，其准则选择与上述相同。

即使有延迟保护，长期超载也必然会引起保护设备的工作，从而造成电力供应的中断。卸载保护装置能够很好地弥补这种缺陷，将电力中断的可能性降低到最小，通常船用电厂只需一轮卸载即可，把空调等辅助负荷去掉。在一定条件下，若仍有超载，可以进行二次卸载，以减轻一些较大负荷。分层卸荷的时间限制应该小于过载延迟，以保证在过载保护作用发生前进行分级卸载。通常，第一轮的卸荷可以调整到110%~120%，延迟7~12秒。

3.发电机的外部短路保护

短路的原因无非是导线绝缘老化，机械和生物（例如老鼠）的损伤，操作不当，以及导电物体掉落在裸露的导线或母线上。由于短路会造成大量的短路，严重影响到电网的设备和操作，所以必须正确、可靠、快速、有选择地切断故障。

当发电机在更远的地方短路时，短路电流很低（3-5倍），此时需要负荷的分路开关工作，而不是由于主开关的操作而导致整个电网的电力供应中断。

船舶同步发电机的外接短路保护，可以是常规的过流断路器，也可以是微机过流保护。

过流保护是为了避免在过载时，发电机和发电机的线缆温度过高。因为船舶发电机过载容量为150%，持续时间为5分钟，故其启动电流整定值与全负载电流的150%相近，但不低于。该设备的时间-电流特性不会超出发电机正常的入侵电流。限时快速断开保护的作用是快速地解决配电板母线上的低电阻故障，同时为母线断路器、母线馈线断路器和馈线断路器之间的全部低阻故障提供选择性的保护。该保护的启动电流整定值为80%左右，短延时整定时间等于下一次断路器短延时与分断时间的总和，一般采用最长延迟时间。

在理论上，根据时间原理和电流原理都可以达到保护选择性，但是由于船舶输电线中的短线路阻抗很低，而且网络的各个环节都有较大的短路电流，所以采用电流原则进行选择性保护是很困难的，而根据时间原则进行选择性保护则更简单、更可靠。然而，如果只按照时间原理进行选择，通常会对保护设备的快速性和复杂性产生一定的影响，因此，为了保证保护的选择性和快速性，通常采用时间与电流相结合的方式。

结语：

发电机是船舶电站中最重要的设备，保护发电机不受损坏是船舶安全航行的重要保证。针对船舶发电机各种不正常运行和故障，必须装设相应的继电保护装置。

参考文献：

[1]尹项根,王义凯,谭力铭,乔健,卢庆辉,张春辉.故障机理深度关联的大型发电机保护新原理探讨[J].电力系统保护与控制,2021,49(22):1-7.DOI:10.19783/j.cnki.pspc.202161.

[2]付雯.大型舰船发电机快速功率控制方法研究[J].舰船科学技术,2021,43(08):73-75.

[3]刘洋,蒋心怡,黄靖.舰船电力系统中阻抗母线差动保护仿真研究[J].舰船科学技术,2009,31(07):89-92.