电力推进船舶协调性分析

李智鹃

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引 言

随着现代控制理论和交流调速技术的逐渐成熟及系统技术和监控技术的不断发展，电力推进船舶的优越性日益凸显。以电力推进技术为代表的工程船舶已逐步成为高技术船舶动力系统发展的主流。

电力推进船舶采用公共电站，功率管理系统根据负荷的实时需求对各台主发电机及推进系统进行监控并协调各发电机组工作，达到合理优化配置电能的目的。

在船舶电网中，系统短路较为普遍，是最具危害性的故障。妥善、有效地进行协调保护，可将故障范围降低到最小，对保障电力推进船舶电网的稳定可靠运行有着十分重要的作用。

本文以某型电力推进起重船为例，按照时间原则或电流原则[1]，结合计算得到的船舶电力系统在不同故障位置下的短路电流，对该船的电力系统进行协调保护设计。

1 船舶电力系统介绍

该起重船由船舶公共电站供电。4台1600kW主发电机向一个公共母排提供690V的三相电源，通过该母排馈电给推进设备、起重机及定位锚绞车，并经690V/400V变压器和400V/230V变压器向船用负载供电。另设1台400kW的辅柴油发电机组和1台214kW的应急兼停泊柴油发电机组。

艉部设2套1500kW全回转定螺距舵桨系统，原动机为异步电动机，通过变频器驱动和调速。艏部设2套600kW的定螺距管隧式推进器，原动机为异步电动机，通过变频器驱动和调速。

在通常情况下，长期并联4台主发电机组运行，供该船航行、作业、生活及照明等用电；当船舶由航行工况或作业工况转为停泊工况时，可由1台辅发电机组对生活及照明等设备供电；应急机组可满足紧急供电需求。

该船电力系统单线图见图1，其中：G1～G4为主发电机组；AG为辅发电机组；EG为应急发电机组；T1和T2为主推进移相变压器；T3和T4为艏侧推移相变压器；T5和T6为主电力变压器；T7和T8为主照明变压器；T9和T10为应急照明变压器；TM1和TM2为主推进电机；BM1和BM2为艏侧推电机。

图1 船舶电力系统单线图

2 短路电流分析

根据该船的电力负荷需求，结合电网结构进行分析，系统发生最大短路故障是当4台主发电机组并联运行向全船供电时，系统发生最小短路故障是当辅发电机单独向电网供电时。船舶电力系统各设备参数见表1。为便于对该船电力系统进行协调保护设计分析，计算得到各故障位置的短路电流见表2。

表1 船舶电力系统各设备参数

表2 各故障位置的短路电流 单位：kA

表2中，DG和AG分别为对应汇流排位置处出现短路时各发电机组馈送出的电流。此外，当应急工况下发生短路时，应急机组馈送出的电流为Iac=2.101kA，ip=4.794kA。

3 协调保护

3.1 参数整定

针对船舶电网设备相对集中、结构相对灵活的特点[2]，一般采用时间原则与电流原则相互配合的方式，选择合适的保护器件实现船舶电网的协调保护。

根据相关船舶规范的要求，结合求得的该船电力系统短路电流值，得到系统各保护器件的参数见表3。

表3 保护器件参数

续表3

3.2 协调保护分析

3.2.1 主发电机及与下一级协调保护

1) 主发电机之间的协调保护依照电流原则，利用INST保护实现。根据选型结果，主发电机断路器短路瞬时整定值为 30kA，满足“当单一主发电机供电支路出现短路时，仅该支路断路器断开（ ip=100.458kA＞30 kA ），其他非故障支路断路器不会分断（1.2ip/=27.328 kA＜30 kA ）”的要求，可实现主发电机之间的短路协调保护。

2) 主发电机与主母线之间通过时间配合实现协调保护。主母线分断断路器瞬时保护设置为关闭状态，仅在短延时区间内与上级主发电机断路器以时间选择的方式进行协调保护。由于下级断路器的短延时时间（tsd=0.3s）小于上级（tsd=0.4s），故可实现短路协调保护。

3) 主发电机与690V/400V变压器之间通过时间配合实现协调保护。变压器原边断路器瞬时保护设置为关闭状态，仅在短延时区间内与上级主发电机断路器以时间选择的方式进行协调保护。由于下级断路器的短延时时间（ tsd=0.2s）小于上级（tsd=0.4s），故可实现短路协调保护。

4) 主发电机与主推进变压器之间通过时间配合实现协调保护。当主推进馈线侧出现较大电流（≥4500A）时，上级断路器不会瞬时分断，下级断路器会在80ms内分断，故可实现短路协调保护。

此外，其他负载（如艏侧推、起重机及定位绞车等）的容量比主推进小，故断路器短路瞬时电流设置值也要＜4500A，可实现主发电机与这些负载的短路协调保护。

3.2.2 主母线分断断路器与下一级协调保护

1) 主母线与690V/400V变压器之间通过时间配合实现协调保护。当690V/400V变压器馈线侧出现较大故障电流（≥3375A）时，上下级断路器不会瞬时分断，均进入短延时保护过程，由于下级断路器的短延时时间（ tsd=0.2s）小于上级（tsd=0.3s），故可实现短路协调保护。

2) 主母线与主推进变压器之间通过时间配合实现协调保护。当主推进馈线侧出现较大电流（≥4500A）时，上级断路器不会瞬时分断，下级断路器会在80ms内分断，故可实现短路协调保护。

此外，其他负载（如艏侧推、起重机及定位绞车等）的容量比主推进小，故断路器短路瞬时电流设置值也要＜4500A，可实现主母线与这些负载的短路协调保护。

4 结 语

某型起重船的航行推进设备和主要施工设备均采用电力驱动，其中主推进、艏侧推、起重机和定位锚绞车采用电力变频驱动，系统短路会给船舶电网的稳定性及安全性带来极为严重的损害。本文针对该船进行协调保护计算分析，可为电力推进船舶电力系统的整体设计提供参考。

【 参 考 文 献 】

[1] 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.

[2] 王焕文. 船舶电力系统及自动装置[M]. 北京：科学出版社，2004.