舰船交流环形电力系统保护性能分析＊

（海军驻桂林地区军事代表室 桂林 541002）

1 引言

舰船电力系统在运行中，由于设备受到打击破坏或操作不当等各方面原因，不可避免地会出现各种不正常运行或故障情况。短路故障是舰船电力系统最严重的故障之一，若不及时排除，会使电力系统的安全可靠运行受到威胁，严重情况下会导致整个舰船电力系统的供电中断，影响舰船的正常运行，危害相关人员的人身安全，严重降低舰船的生命力［1］。因此，舰船电力系统必须配备可靠的保护装置。

在舰船电力系统中，对短路保护的基本要求是［2～7］：

1）选择性

保护的选择性是指电力系统发生故障时，保护装置尽可能只切除故障部分，使故障情况下被开断的线路限制在最小范围，保证非故障线路继续正常供电。

2）快速性

保护的快速性要求故障的切除时间尽可能的短，以减少电网在大电流、低电压下运行的时间。

灵敏性是指对保护范围内所发生的故障或不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该在规定的保护范围内发生故障时，都能反应灵敏。

4）可靠性

可靠性要求在其规定的保护范围内发生故障时，保护装置不拒动；而在不需要其动作时可靠不动作，即不发生误动。

以上保护“四性”基本要求是评价和研究电网保护性能的基础，在它们之间，存在矛盾的一面，比如：为了保证选择性，有时就要求保护动作必须具有一定的延时；为了提高快速性，有时又允许保护装置无选择地动作。在进行舰船电力系统保护设计时，需要结合考虑上述保护“四性”要求，使以上四个基本要求在所配置的保护中得到统一。

2 时间电流保护方法的整定原则

舰船电力系统中断路器的动作延时时间分为瞬动、短延时和长延时三段，其中瞬动和短延时按时间电流原则进行整定以提供短路保护。长延时保护主要是针对系统中的过载和高阻抗故障，本文不予讨论。

2．1 输电网保护整定

在时间电流原则下，舰船电力系统输电网中断路器主要采用短延时保护，通过断路器动作延时的差异来实现保护选择性。通常情况下，按照由短到长的延时时间依次对跨接断路器，母联断路器，发电机断路器进行整定。同时，为保证断路器动作的灵敏性，要求母联断路器和跨接断路器的短延时电流整定值小于发电机断路器短延时电流整定值。按照国军标要求，舰船环形输电网中断路器的整定值如表1所示［8］。

2．2 配电网保护整定

舰船交流辐射状配电网一般包括三级保护，排列顺序依次是：主配电板（第一级）→配电中心（第二级）→分配电箱（第三级）。按照国军标的要求，这三级断路器的保护整定值设置如表2所示［9～10］。其中，主配电板至配电中心的断路器不设置瞬动，通常采用短延时保护中最短短延时时间段以实现配电中心以下短路故障的选择性保护，短延时电流整定值按电流原则进行设置。其余两级断路器没有短延时保护，只设置瞬动保护，瞬动电流整定值按电流原则设置，要求上级断路器的电流整定值要大于等于下级断路器的电流整定值以保证断路器动作的灵敏性。

表1 时间电流原则保护下输电网断路器整定值

表2 时间电流原则保护下配电网断路器整定值

3 时间电流保护特性

为研究断路器动作状态和断路器短路电流的匹配关系，本节分析了不同工况、不同故障点下，系统中各断路器流过的短路电流特性。由于按时间电流原则在进行断路器电流整定值的计算时，依据的是各断路器流过的最小短路电流，因此，在断路器短路电流特性分析中忽略了电网中电动机馈送的短路电流。

1.1.3 供试药剂 室内毒力测定：90%阿维菌素原粉，华北制药爱诺股份有限公司生产；25%甲胺基阿维菌素苯甲酸盐，华北制药爱诺股份有限公司生产；81.7%噻唑膦原油，寿光市申达化学工业有限公司生产。田间药效试验：2%阿维菌素、2%甲胺基阿维菌素苯甲酸盐和10%噻唑膦，河北三农农用化工有限公司。

3．1 交流环形输电网保护特性

图1所示为一典型的舰船交流环形输电网，该系统由前后两个电站构成，每个电站内有两台发电机组，系统为闭环结构，开环运行，即两舷跨接线不会同时接通。当短路故障发生在输电网线路中，在不同工况和不同位置下各断路器上流过的短路电流差异较大。例如发电机G1出口断路器B1，其流过的短路电流有以下三种情况：

1）G1～G4中任意一台发电机的短路电流；

2）G2～G4中任意两台发电机的短路电流之和；

3）G2～G4三台发电机的短路电流之和。

图1 四机组交流环形输电网

同理，母联断路器可能流过1～3台发电机短路电流，跨接断路器可能流过1～2台发电机短路电流。由于发电机短路电流值与短路故障类型（三相短路、相间短路）、线路阻抗、短路合闸角、发电机负荷率等因素有关，单机，双机并联和三机并联工况下由发电机提供的短路电流的变化区间分别为［I′Gmin，I′Gmax］，［I″Gmin，I″Gmax］和［I‴Gmin，I‴Gmax］。输电网线路阻抗较小，可忽略线路阻抗的影响，若图1中四台发电机组参数相同，那么有I′Gmin＝I″Gmin／2＝I‴Gmin／3，I′Gmax＝I″Gmax／2＝I‴Gmax／3。当短路故障发生在输电网时，输电网中三类断路器短路电流的分布特性如图2中竖线框所示。图2中ING为发电机稳态短路电流。

当短路故障发生在配电网线路中时，发电机出口断路器只可能流过1台发电机的短路电流，母联断路器仍可能流过1～3台发电机的短路电流，跨接断路器也可能流过1～2台发电机短路电流。此时各发电机提供的短路电流大小受线路阻抗影响较大，在主配电板这一级断路器的出口发生短路故障时短路电流较大。在配电网线路末端发生短路故障时，各发电机提供的短路电流很小。因此，输电网中三类断路器短路电流值在配电网发生短路故障时的分布特性如图2中横线框所示，其中格子框所示为输电网和配电网故障下短路电流分布特性的重叠部分。

图2 输电网断路器短路电流特性

由表1所述断路器整定原则，这三类断路器的短延时电流整定值都将在图2（a）中虚线左侧。由图2所示各断路器短路电流特性，在所有工况下，当环形电网中任一线路发生短路故障，各断路器的短延时保护都将启动，由断路器短延时时间的长短，按先解列电站，再断开并联机组，最后断开发电机的顺序进行保护。发电机断路器的瞬动电流整定值在图2（c）中虚线右侧且小于I″Gmin，因此，只有在三机并联或四机并联工况且发电机至出口断路器之间的线路上发生短路故障时，其瞬动保护才会启动。

3．2 交流辐射状配电网保护特性

交流辐射状配电网中断路器所经短路电流随短路点线路阻抗增加的变化曲线如图3所示，图中［I′1min，I′1max］为单台发电机运行工况下断路器B1所经短路电流的变化区间，［I″1min，I″1max］为两台发电机并联运行工况下断路器B1所经短路电流的变化区间，Id1为断路器B1短延时电流整定值，Is2、Is3分别为断路器B2和B3的瞬动电流整定值。

图3 辐射状配电网短路电流变化曲线

由图3可以发现：短路前主配电板上所接发电机数量越多，配电网中断路器短路电流随短路点线路阻抗增加下降得越快；在配电网负载侧的线路末端，不同工况下断路器短路电流将逐渐逼近。这是由于在计算配电网短路故障下发电机馈送的短路电流时，可以将输电网中运行的发电机进行等效处理，而由发电机的等效公式，被等效的发电机数量越多，等效发电机的超瞬变电抗、瞬变电抗、电枢电阻等参数越小，其短路电流随线路阻抗的增加下降得越快。

由于配电网断路器在不同工况下短路电流变化范围很大，按表2进行断路器整定后，当下一级线路发生短路故障时，本级断路器短路电流值可能大于其整定值，这将造成上下级断路器同时启动保护。由于断路器B1延时时间大于B2动作时间，可以实现f2故障下保护的选择性；断路器B2和B3都采用瞬动保护，必然造成某些情况下f3故障时，断路器B2和B3同时动作。

4 时间电流原则保护的缺陷分析

现有舰船电力系统中时间电流原则保护方法主要的缺点在于：

1）保护的选择性不够，可能造成失电范围的扩大

按照表1所述原则对图1所示输电网断路器进行整定，当系统运行于如图4所示运行工况下主配电板汇流排S8上发生短路故障f1时，跨接断路器B7和B8因延时时间最短而首先动作，造成主配电板S7和S8同时失电。此时，选择性最优的断路器动作方案应该是母联断路器B6动作切除故障，仅主配电板S8失电。

配电网保护选择性不佳的原因如3．2节所述，由于一般舰船电力系统中断路器短延时时间为四级，而输电网断路器短延时时间需要三级，因此配电中心以下断路器只能按电流原则设置瞬动保护。

图4 发电机G1、G2并联运行工况

2）延时时间过长，对电网的冲击较大

时间电流原则保护方法是以牺牲保护快速性为代价来实现保护的选择性。仍以图1所示舰船电网为例，当系统运行于四机单独运行工况，即母联和跨接断路器全部断开，四台发电机对各自主配电板供电，此时发电机出口断路器的短延时时间只需比主配电板断路器的短延时时间高一个等级即可。按表1所述整定原则，发电机出口断路器的短延时时间仍按最长延时时间进行整定，这将造成主配电板短路故障的切除时间较长，对发电机的绝缘、汇流排热稳定性等都是一个严峻的考验。

时间电流原则保护方法应用于舰船电力系统中存在以上缺点的主要原因是断路器整定值一旦固定就无法改变，而舰船电力系统运行工况多变，不同工况下系统对保护性能的要求也有所不同，这种固定的整定值无法在每种工况下都达到最优的保护性能，只能选择一种兼顾各种运行工况的折中方案，因此造成某些工况下保护性能不佳。

5 结语

本文主要完成对舰船电力系统保护特性的分析。时间电流保护方法的特点是事先整定、实时动作，当应用于舰船电力系统时，对于输电网短路故障采取先解列电站，再断开并联机组，最后断开发电机的保护顺序；对于配电网短路故障，主配电板断路器设置短延时保证选择性，其余断路器按电流原则设置瞬动保护。舰船电力系统中各断路器在不同运行工况下网络拓扑结构差异较大，时间电流保护这种固定的动作模式将造成系统在某些工况的短路故障下失电范围扩大，短路电流持续时间过长。

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