船舶电力系统选择性保护设计误区分析

王正甲　顾伟杰

（上海船舶研究设计院，上海201203）

船舶电气

船舶电力系统选择性保护设计误区分析

王正甲顾伟杰

（上海船舶研究设计院，上海201203）

船舶电力系统的过电流选择性保护设计对系统的安全性起着至关重要的作用，但是很多设计人员对其认识还比较片面，存在一些概念误区，致使设计上出现偏差。通过分析几个典型案例，就选择性保护的概念及设计进行梳理，以期对设计人员有所帮助。

完全选择性；部分选择性；能量脱扣；反时限过流保护

0　前言

过电流故障是船舶电气装置中的常见故障，由此可能导致全船失电，船舶失去操纵能力，直至发生船舶碰撞甚至引发火灾的严重后果［1］。自2001年起，中国船级社（CCS）在其出版的《钢质海船入级规范》中，就提到对电力系统的过电流故障实现选择性保护的要求，并且对于可并联连接的发电机总容量大于250 kVA的船舶，要求送审“保护电器协调动作分析书”［2］。但是由于一直没有相关的执行准则，因而在审查上并不严格。

自2007年始，CCS颁布了 《船舶电力系统过电流选择性保护指南》，明确了船舶电力系统必须采用选择性保护的设计要求及其实现方法。该《指南》实施几年来，电力系统的安全性得到了进一步提升，不过在实际应用中，发现有部分设计人员在理解选择性保护方面存在误区。

笔者曾参与GB/T 7357-2010《船舶电气设备系统设计保护》的编写，并参与了《船舶电力系统过电流选择性保护指南》中实例的编写，在选择性保护的设计实践方面有一些心得和体会，希望通过此文与大家共同分享。

1　概念误区

1.1完全选择性与部分选择性概念混淆

根据《钢质海船入级规范》第四篇中的定义，完全选择性系指有两个或两个以上过电流保护电器串联的电路中，当发生过电流故障时，只是最接近故障点的保护电器起保护作用，而不会导致其他保护电器动作的过电流选择性保护；部分选择性保护系指在有两个或两个以上过电流保护电器串联的电路中，当发生过电流故障时，只是在一定的短路电流范围内，才能做到最接近故障点的保护电器起保护作用，而不会导致其他保护电器动作的过电流选择性保护。

而在实际的应用中，容易将这两个概念混淆。以主应馈电开关与AC 380 V应急负载开关之间的选择性保护为例。根据规范要求，主应馈电开关与AC 380 V应急负载开关之间应满足选择性保护的要求。如图1所示为某厂家提供的主应馈电开关与AC 380 V应急负载开关的时间电流曲线。由曲线可知，当AC 380 V应急负载开关出口的后端发生短路时，若短路电流不超过36 kA，则两个断路器之间能够保证是AC 380 V应急负载开关，从而满足选择性的要求。但在短路电流超过36 kA时，无法保证AC 380 V应急负载开关优先于主应馈电开关动作。这实际上是部分选择性保护，但是厂家却误认为是满足的完全选择性要求。根据该项目的短路电流计算，在AC 380 V应急负载开关出口处的短路电流小于36 kA，因而两个断路器开关之间能够满足选择性保护要求，但定义为完全选择性显然是不合适的。

图1　主应馈电开关与AC 380 V应急负载开关的时间电流曲线

事实上，常用塑壳断路器产品，其三段式保护中的瞬动保护段是不能取消的，因而当下一级断路器所保护的线路上的短路电流超过一定数值后（如图1所示的36 kA），就很难通过三段式保护来实现完全选择性保护。但由于断路器自身的限流特性，通常负载侧的断路器脱扣所需能量低于电源侧断路器完全分闸所需的能量值，因而依靠断路器的能量脱扣的选择性，实际上是能够实现上下级断路器之间的完全选择性的。

图2给出的是ABB公司Tmax系列塑壳断路器与S系列微型断路器的选择性配合示例。从图2可以看出，当电源侧塑壳断路器的脱扣器额定电流不小于160 A而负载侧微型断路器的脱扣器额定电流不大于63 A时，上下级之间可以实现完全选择性，这种选择性便是通过能量脱扣来实现的。而当电源侧塑壳断路器的脱扣器额定电流小于160 A时，上下级之间便只能是在给定的短路电流值的范围内实现部分选择性。

图2　MCCB与MCB选择性配合表

1.2重要设备的供电线路才需要考虑选择性

《钢质海船入级规范》第四篇第2.4.7：除另有明文规定者外，主重要设备应直接由主配电板或应急配电板（要求应急电源供电者）供电，但如其获得完全选择性保护则可例外。根据该条要求，在设计过程中，我们均尽可能的将主重要设备由配电板直接供电。如采用区域分配电箱供电时，应考虑其完全选择性。

这里实际上会造成两个概念上的误区。第一个误区是使设计人员认为主重要设备供电线路必须做到完全选择性；第二个误区是使设计人员认为只有主重要设备才需要满足选择性要求，而对一般设备的供电线路则不需考虑。

上述第一个误区如前1.1节分析，是混淆了完全选择性和部分选择性的概念。其实规范的这条规定是为了满足电力系统保护的一般要求，即各保护电器的性能及其布置应能提供完善协调的自动保护，以保证在某处发生故障的情况下，通过保护电器的选择性作用确保无故障重要设备电路的供电连续性［3］。归根结底，规范在这里强调的是主重要设备的供电连续性。

如图3所示，对于供电连续性而言，在故障期间，线路③的供电不受线路②故障的影响，在整个故障过程中始终保持连续供电状态。而对于运行连续性而言，在故障期间，线路③可以短时断电，待线路②故障切除后再对线路③恢复供电。如果线路①和线路②上的保护电器不能满足选择性要求，则线路③只能保证运行连续性而无法保证供电连续性，因而无法满足规范的要求。而如前1.1节分析，为实现供电线路的供电连续性，完全选择性和部分选择性的效果是没有任何区别的。所以对误区一的正确理解是只需确保电力系统满足选择性要求即可，而并不需要一定是完全选择性。

图3　供电连续性和运行连续性

对于所造成的第二个误区，也可从图3中可以看出，假设线路③为主重要设备供电线路，线路②为非重要设备供电线路。若仅线路③与线路①的保护电器满足选择性要求，而线路②与线路①不考虑选择性要求，在线路②上发生故障时，可能线路①中保护电器动作，从而影响主重要设备所在的线路③的供电连续性。因此，选择性保护的要求应不仅限于主重要设备的供电。

2　设计误区

2.1断路器的脱扣器额定值选择

在选定脱扣器的额定值时，设计人员会很自然地考虑脱扣器选定的额定值是否能够对线路进行过载保护，即脱扣器的额定值不超过其保护线路电缆的载流量。而对于线路的短路保护，在设计初期由于未进行短路电流的计算，对于各级线路的短路电流值没有系统的掌控，因而往往考虑不周。如照明分电箱或航行灯信号灯控制板中的断路器，在设计过程中基本都整定在15 A或16 A。其实对于这类照明线路的末端，往往短路电流较小，当断路器整定在15 A或16 A时，断路器对线路的短路故障根本起不到保护作用，这就是造成《船舶电力系统过电流选择性保护指南详细编写说明》中提到的航行灯供电电缆烧毁的原因。

解决以上问题最合理的做法是：对于负载已经确定的线路，其保护电器的选定应按照其负载的额定电流来选定，而不是仅仅考虑线路电缆的载流量。例如以《船舶电力系统过电流选择性保护指南详细编写说明》中提到的例子，在有10个点位的AC 220 V照明线路中，每个灯点功率以52 W计，其额定电流约为2.4 A，应按照2.4 A来选择脱扣器。当选用施耐德C65型微型断路器，额定值选3 A时，其瞬动保护动作值为22.5 A。即使在两相短路时，断路器也能够可靠动作。

2.2变压器两侧的断路器时间电流曲线未经折算

在厂家提交的《保护电器协调性动作分析报告》中，经常会发现如图4所示的两根时间-电流曲线出现在一张图内。而应急变压器断路器为AC 380 V，AC 220 V应急负载为AC 220 V，这两根时间-电流曲线所代表的断路器分处两个不同的电压等级上，直接表示在一个时间-电流的坐标系中是不合理的，应对其中一个断路器的相关电流值进行折算。在图4的例子中，当AC 220 V应急负载断路器的相关电流值经折算后绘制到该图上后会发现，上下级之间无法满足选择性的要求，因而要引起重视。

图4　应急变压器原边断路器与AC 220 V应急负载断路器协调动作的时间-电流特性图

2.3过载保护的设定值和动作值混淆

在对断路器的过载保护进行整定时，有些设计人员会把过载保护的整定值和动作值混淆。例如《钢质海船入级规范》建议发电机主开关在发电机过载10%～50%时，经少于2 min的延时分断，并建议断路器整定在发电机额定电流的125%～135%，延时时间15 s～30 s。这使得设计人员在整定发电机主开关的长延时时，往往按此原则整定。

目前断路器长延时保护基本采用反时限过流保护，典型的反时限特性曲线图如图5所示［4］。采用反时限原理进行保护的电器，通过的电流越大，保护动作的时间越短，当通过的电流不超过保护的起动电流时，保护电器会长期稳定运行而不动作。

图5　反时限特性曲线图

由于反时限的长延时保护不是在确定的时间动作，因此在实际的设计过程中，断路器长延时的设定是通过确定断路器长延时起动电流及6倍起动电流时的动作时间，以便确定其工作特性。从上述分析中可以看出，若按照规范所建议的生搬硬套来整定的话，断路器的长延时段对发电机已经起不到保护作用。通常做法是将长延时起动电流整定在发电机的额定电流附近，然后选取合适的6倍起动电流时的动作时间，确保发电机主开关在流经电流为额定电流的125%～135%范围内时，能在延时时间15～30 s内动作。

3　结语

船舶电力系统的选择性保护设计是在进行系统设计时必不可少的环节，对电力系统的安全运行甚至整个船舶的安全都有着至关重要的作用。特别是随着电力推进在各类船舶上得到更多的应用，船舶电力系统将变得越来越庞大，因而安全性的要求也将越来越高。作为船舶电气的设计人员，应该对其有足够的重视。选择性保护涉及到的内容还有很多，本文仅针对设计过程中遇到的几个容易引起误解的地方进行了分析，希望能对设计人员起到一定的启发作用。

［1］中国船级社.船舶电力系统过电流选择性保护指南详细编写说明［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］中国船级社.钢质海船入级规范——第4分册［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［3］中国船级社.船舶电力系统过电流选择性保护指南［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［4］严支斌，等.新型微机反时限过流保护曲线特性研究［J］.中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十届学术年会论文集.

Misconceptions Analysis of Discrimination Protection in Ship Electrical System

Wang Zheng-jiaGu Wei-jie

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

Over current discrimination protection design played an important role in ship electrical system's safety performance.However，some designers didn't study it deep enough，there were some confusion in relevant definitions and designs.In order to help designers to have correct understanding of electrical system discrimination protection，this article analyzed some typical cases which had been encountered during design work.These could serve as reference for relevant electrical system design in the future.

total discrimination；partial discrimination；energy-based trip；inverse time-delay protection

U673.37

A

1001-4624（2015）01-0075-04

国家科技支撑计划课题（2012BAG03B02）。

2014-09-03；

2015-03-12

王正甲（1984—），男，工程师，从事船舶电气设计工作。顾伟杰（1980—），男，高级工程师，长期从事船舶电气设计和管理工作。