船舶电气与通讯-第六章 船舶电力系统保护

图6-1 短路故障示意图
要限制不正常运行和短路的破坏作用，其中最有效的办法 之一，就是在船舶电力系统的主要电气设备上，装设保护装 置，以自动迅速地切除故障。船舶电力系统保护的任务可归 纳为： (1)当电气设备发生故障或足以造成故障的发生时，保护装 置将自动地、迅速地并有选择性地切除发生故障的电气设 备，以保护设备，并保证非故障部分正常安全运行。
图6-8 万能式自动空气断路器的框图
（1）触头和灭弧系统 自动空气断路器大多是采用灭弧栅进行灭弧。 （2）自由脱扣机构 自由脱扣机构的作用是使触头保持完好闭合或迅速断开。 图6-9所示是一个四连杆机构，它是触头系统和操作传动 装置之间的联系机构。
（3）操作机构
操作机构用于控制自由脱扣机构的动作，实现触头闭合 或断开。 手动操作 电磁或电动合闸
照明类负载及线路保护装置的动作电流值
•在船舶照明类负载保护中，通常16A以下的分支电路多 采用熔断器。此外，对多级保护装置的动作整定值要注 意选择性的配合。整定值的80% 。 •由于高压汞灯和高压钠灯的起燃电流持续时间长，保护 器的额定值选择应稍大一些。对于船舶照明线路，按规 定实际负载电流不应超过保护电器整定值的80% 。
同步发电机在非同步条件下并车时，也可能短时出现逆 功率，这是允许的，此时逆功率保护不应动作。 逆功率保护应具有一定的时限。
对逆功率保护启动值的整定，大多数船级社都规定: (1)原动机为柴油机时，逆功率整定值在发电机额定功率 的4%~15%间某一区域(典型区间为4%~10%);
(2)原动机为汽轮机时，逆功率整定值在发电机额定功率 的1%-6%间某一区域(典型区间为1%~3%); (3)延时时间在2-10s，间整定(典型值为3s)
图6-3 继电保护构成原理 图
6.2
船舶发电机的保护 根据我国《钢质海船入级规范》规定，对500V以下同 步发电机，针对其不正常运行情况和可能出现的故障， 主要设置如下继电保护：过载保护、外部短路保护、 欠压保护和逆功率保护。
1．发电机的外部短路保护 • 处理发电机外部短路措施：既要保护发电机，又要保证 不中断供电
• 兼顾保护的选择性和快速性，根据具体短路点的位置采 取相应措施。
• 对于船舶发电机外部短路保护一般应设有短路短延时和 短路瞬时动作保护。当短路电流达2～2.5倍的额定电流 时，保护装置延时0.2～0.6s动作，使发电机主开关自动 跳闸。当短路电流达5～10倍的额定电流时，保护装置 应瞬时动作，使发电机主开关自动跳闸。
第6 章
船舶电力系统的保护
6.1 概述
6.2 船舶发电机的保护
6.3 船舶变压器的保护 6.4 船舶电网的保护
6.5 船舶负载的保护
6.1
一、概述
概述
1.船舶电力系统保护的任务和作用 船舶电力系统中各种保护装置，主要就是为了实现安全 可靠地供电。 船舶电力系统的不正常运行情况主要有过载、欠压、过 压、欠频、过频、逆功率以及绝缘系统发生单相接地等。 船舶电力系统中最常见最严重的故障就是各种形式的短 路。 图6-1 短路故障示意图
二、电动机类负载的保护 •电动机负载是船舶电力系统中的主要负载，且很多属重 要负载，因此，规范对其保护的要求较明确。
•规范规定容量大于0.5kw电动机和所有重要设备的电动 机均应设有独立的过载保护、短路保护和欠电压保护。 当采用熔断器作保护时，还应设防止单相运转的保护， 即缺相保护.
（4）保护元件： 万能式自动空气断路器通常设有电流脱扣器、失压脱扣 器及分励脱扣器，通过它们对自由脱扣机构的作用来实 现对主电路的短路、过载、失压、欠压等保护及遥控分 励操作。
(a)合闸位置
(b)分闸位置 (c)为准备合闸位置 图6-9 自由脱扣机构示意图
6.5 船舶负载的保护
•负载大体上可分单相照明负载和三相电动机负载两大类。 负载通常要求设过载和短路保护装置。 •由于负载的多样性，具体的保护要求也不尽相同。本节 只对船舶各类负载的保护作一般性介绍。
逆功率保护是由逆功率继电器来完成的，整定值是靠调 整逆功率继电器的动作值来达到的。
6.3 船舶变压器的保护 船舶变压器的基本故障是：相间短路、对壳短路、绕 组匝间短路以及输出端短路。相应对变压器的保护有 电流保护、差动保护等。 下图为对变压器采用不同的保护线路图
6.4 船舶电网的保护及保护装置 1．电网的短路保护 •船舶电网的短路保护要求良好的选择性，当发生短路故 障时，仅允许切除有故障的线路部分。如图6-5，通常 对各级保护装置的动作整定值按时间原则或电流原则予 以整定。 •若按时间原则整定，则应有t1>t2>t3，即各级保护装置 动作时间的整定值应从用电设备到发电机处逐级增大， 如按电流原则整定，则应有Iop1>Iop2>Iop3。
3．单相接地及电网的绝缘监测
⑴单相接地监视 船舶配电板上大多装有绝缘指示灯（亦称地气灯）以监 视电网的单相接地。图6-6是地气灯的电气工作原理图。 ⑵电网绝缘监测 配电板兆欧表安装在主配电板上，它能在线随时监测船 舶电网的绝缘电阻。兆欧表其工作原理如图6-7所示。
图6－6
绝缘指示灯电路图
图6-7
（4）具有可靠性
继电保护装置的可靠性是指装置本身要能可靠地工作，对它 保护范围之内的故障，不应拒绝动作，在正常运行或不属于 它保护的范围故障时，不应误动作。否则，它本身就可能成 为产生和扩大事故的根源。
二、继电保护的基本工作原理 正如人工寻找故障时的道理一样，继电保护的基本工作原 理，就是利用在发生各种故障或不正常运行情况时，必定 要出现的、特有的现象，作为自动控制的信号，自动判断 故障，而后进行必要的处理。
(2)当电气设备发生不正常运行情况时，继电保护装置应 自动发出报警信号，使值班人员及时进行处理，防止事故 发生，或自动切除不正常运行的电气设备，防止事故的再 扩大。 (3)配合自动控制装置，自动消除或减少事故及不正常运行 情况。
船舶电力系统的保护主要包括： 船舶电气系统的保护包括船舶发电机外部短路保护，过 载、欠压、逆功率保护； 船舶电网的短路保护，电网的绝缘监测； 接用岸电时的相序保护等。 船舶中采用继电器保护装置来实现。船舶在电力系统发生 故障时，要求继电器保护装置的工作具有可靠性、选择性、 准确性，既能适时切除故障以防止故障蔓延，又要尽量缩 小停电区域，使非故障部分能继续正常运行，减轻损害程 度。
兆欧表原理图
4．岸电的相序和断相保护
用相序指示器检测和指示岸电的相序，用逆序继电器对岸 电的相序和缺相进行保护。
为确保接用的岸电相序正确，通常用相序指示器(或叫相序 测定器)来检测岸电的相序。若相序正确，则相序指示器的 白灯(或绿灯)亮;若错误，则红灯亮。 若岸电相序错误或缺相时，逆序(或称负序)继电器动作， 便岸电开关合不上闸或断相时岸电开关跳闸。
常用的相序指示器由一个电容器和两个 指示灯(一红一白)星形连接组成。如图 电容器接A相，白灯接B相，红灯接C相
5、万能式自动空气断路器 国内外制造的船用发电机主开关的型式很多, 结构不尽相 同，但基本原理大同小异，一般都是由触头单片、灭弧 装置、自动脱扣机构，操作机构和保护装置组成。其结 构框图见图6-8。
我国一般规定：对无分级自动卸载装置的发电机过载保护， 其启动电流值，可整定在其额定电流值的125%~135%，延时 15~20s，过载保护装置动作，使发电机自动跳闸。 对有分级自动卸载装置的发电机过载保护，当过载达 110%~120%额定值时，延时5-10s，使自动卸载装置动 作，自动卸掉部分次要负载； 当过载达150%额定值时，延时10~20s，过载保护装置 动作，使发电机自动跳闸。
发电机欠压保护，还可作为发电机外部短路的后备保护， 因发电机外部短路时，也必定要出现欠压现象。
船舶发电机的欠压保护是由万能式自动空气断路器中的 失压脱扣器来实现的。
4．逆功率保护
当几台同步发电机并联运行时，其中一台发电机的原动 机工作失常，该发电机不但不能发出有功功率，反而 要从系统吸收有功功率，即变为同步电动机运行。
图6-5 船舶电网短路保护示意
（1）时间原则 若按时间原则整定，则应有t1>t2>t3，即各级保 护装置动作时间的整定值应从用电设备到发电机 处逐级增大 关键：正确选择前后两级的时间差
（2）电流原则
电流原则整定，则应有Iop1>Iop2>Iop3
（3）混合保护
2．电网的过载保护 船舶电网大多为幅射型馈线式配电网络，馈线的截面积 又都与发电机及用电设备的容量相配合的。由于发电机 和用电设备的过载保护装置同时保护了电网，电网中不 设专门的过载保护装置。须指出的是，舵机电动机和它 的供电线路根据规范要求均不设过载保护，只设短路保 护和过载报警装置。
一、照明类负载的保护 •照明类负载包括电热器负载等。为防止照明类负载及供 电线路因短路和过载引起过电流，导致温升过高而使电 缆绝缘损坏或引起火灾，照明类负载都设有过电流保护 装置。 •照明类负载基本上是电阻性负载，功率因数接近于1， 其保护装置比较简单，可采用装置式断路器或熔断器实 现过电流保护。
• 因此，船舶发电机的外部短路保护装置中，一般设有两 套电流保护装置，根据短路电流的大小，实行短延时或 瞬时动作保护。船舶发电机的外部短路保护由万能式自 动空气断路器中的过电流脱扣器承担。

2．发电机的过载保护 为了最大限度地保证供电的连续性，船用发电机广泛采 用自动分级卸载保护装置。发电机一旦发生过载现象， 自动保护装置将次要负载逐级卸去，同时发出报警信 号，如到了允许的时限，仍不能消除过载现象，保护装 置则应动作，发出发电机过载跳闸的指令。
2．对保护装置的基本要求
（1）具有选择性
继电保护的选择性是指当电力系统发生故障时，继电保护装 置应仅把故障元件切除，使停电范围尽量缩小，从而保证电 力系统中其他非故障部分仍然能够继续安全地运行。
图6-2 保护性选择示意图
（2）具有速动性 继电保护的速动性就是保护装置的动作时限应力求短。迅速 切除故障可减轻被保护设备的损坏程度；防止故障蔓延，缩 小破坏范围；减少对非故障部分的影响，保证其正常安全运 行。 原因：热效应方面、对负载的影响方面 （3）具有灵敏性 继电保护装置的灵敏性是指对于其保护范围内的故障或不正 常工作状态的反应能力。灵敏性愈高，故障发觉和切除得就 愈早，从而对系统的影响和设备的破坏就愈小。保护装置的 灵敏性，用灵敏度来表示。