【正文】 則有過流、距離、高頻等多套保護。另外還有母線保護，防雷及接地保護等。自動裝置已發(fā)展到以計算機為中心的電力系統(tǒng)自動監(jiān)視和控制環(huán)節(jié)，保證系統(tǒng)安全經濟運行。自動監(jiān)控系統(tǒng)能滿足電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性和供電可靠性的要求，保證電能質量及控制電力設備運行參數(shù)，對電力系統(tǒng)中機組的有功和無功功率及某些節(jié)點的電壓進行監(jiān)視與測量，對聯(lián)絡線和變壓器的傳輸功率進行控制。為與自動監(jiān)控系統(tǒng)配套，遙測、遙信、遙調與遙控等遠動裝置在陸上大電力系統(tǒng) 9 中也已經普及， 實現(xiàn)了調度中心與發(fā)電廠、變電所之間實時信息的自動傳輸。 船舶電力系統(tǒng)因容量小，送電距離短，電壓等級少而低，目前大多數(shù)采用 500V 以 下的電壓，故變電設備、配電設備、開關電器、絕緣要求、繼電保護與自動裝 置都比陸上簡單。 （ 3） 電力網(wǎng) 陸上電力網(wǎng)主要由架空線及電纜構成。架空線由導線、桿塔、絕緣子和屬具組成，電纜則由導電芯線和包覆芯線的絕緣材料和外護層組成。陸上電力系統(tǒng)輸電線路電壓高、距離長，大多采用架空線。架空線利用空氣和絕緣子實現(xiàn)導體線間絕緣和導線與大地的絕緣。為防止空氣被電壓擊穿，線 間距離隨電壓的提高而加大。并容易受外力破壞而發(fā)生故障。電纜在傳輸高壓電時，因絕緣要求高而使工藝復雜，造價比架空線高許多倍，故除非特殊需要，陸上的電力網(wǎng)一般均使用架空線。 船上由于環(huán)境的限制，加之供電電壓低、距離短，因此全部采用電纜。電纜線路具有可靠性高，遭受雷擊和外力破壞的可能性小的特點。 （ 4） 船舶負載的特點 船舶負載主要是電動機及照明裝置。船上某些大電動機的功率與船舶電站運行發(fā)電機的功率可相比擬，大電動機起動電流甚至超過發(fā)電機額定電流，因此相互影響大。電動機起動時，電網(wǎng)電壓降 落大，發(fā)電機組的轉速與頻率波動也大，因此對船舶發(fā)電機的調壓器與調速器都提出了較高的要求。陸上電力系統(tǒng)容量比每一個負載的功率要大得多，可以認為是無限大容量電源，電源的內阻為零，電源的電壓可認為是一個常數(shù)。 對船舶電氣設備的基本要求 船舶設計與建造時，對電氣設備的選擇及安裝必須考慮船的航線、種類、噸位、主機的種類和功率以及有無特殊要求等條件。無論什么種類的船舶，對其所安裝的電氣設備都應注意滿足下述基本要求 ： （ 1） 保證供電的可靠性 保證供電可靠是船舶電力系統(tǒng)運行中的一項極為重要 的任務。中斷船舶供電，會使船上作業(yè)停頓、生活混亂，甚至危及人身和設備的安全，從而造成極大 10 的經濟損失。因此船舶電力系統(tǒng)的首要任務就是要滿足船舶對供電可靠的要求。 造成船舶供電中斷的原因很多，例如可能是船舶電力系統(tǒng)的設備發(fā)生了故障，如發(fā)電機、變壓器、輸電線路等發(fā)生了故障 ； 也可能是系統(tǒng)的全面瓦解崩潰，如穩(wěn)定性遭到破壞而導致系統(tǒng)瓦解等。 保證船舶供電的可靠，首先要求系統(tǒng)元件 （ 如發(fā)電機、變壓器和輸電線路等 ）的運行具有足夠的可靠性，元件發(fā)生故障不僅會直接造成船舶供電中斷，而且可能發(fā)展成為全局性事故。其次， 要求提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，增強系統(tǒng)的抗干擾能力，保證不發(fā)生或不輕易發(fā)生造成大面積停電的系統(tǒng)瓦解事故。為此，要不斷提高輪機員的技術水平和責任心，防止誤操作的發(fā)生，在事故發(fā)生后能夠盡量及時的采取有效措施，從而防止事故的進一步擴大，此外我們還要采取現(xiàn)代化的監(jiān)測、控制和保護裝置等手段，來預防事故的發(fā)生。 （ 2） 保證良好的電能質量 衡量電能質量的主要指標是電壓、頻率和波形，在船舶電力系統(tǒng)正常運行時，主要保證電壓和頻率的偏差不超過規(guī)定的范圍。 （ 3） 為船舶提供充足的電力 船舶電力系統(tǒng)擔負 著為全船各用電設備提供安全、可靠的供電的使命，為此我們要對其加強維護、科學管理，提高運行操作水平，防止事故發(fā)生，減少事故次數(shù)。 （ 4） 提高船舶電力系統(tǒng)的經濟性 在保證船舶供電可靠和良好電能質量的前提下，進行優(yōu)化調度，最大限度的提高電力系統(tǒng)運行的經濟性，為船舶提供充足的電能。 以上是對船舶電力系統(tǒng)的要求是相互關聯(lián)的，當然有的也是相互矛盾的。因此，我們應該從實際出發(fā)，采取切實可行的措施，提高船舶電力系統(tǒng)安全經濟運行水平。一般來說，一個可靠性指標差的船舶電力系統(tǒng)根本談不上優(yōu)質和經濟，而電能質量差的 船舶電力系統(tǒng)也就無從談起可靠性和經濟性了。對可靠和優(yōu)質的要求，有時候會與經濟性發(fā)生矛盾。因此，無論我們在考慮其中哪一項要求時，都應該兼顧其他各項的要求。 船舶發(fā)電機綜合保護 11 2. 3. 1 短路保護 短路故障對船舶電站所造成的后果是十分嚴重的。發(fā)生短路時，由于外部電路負載被短路，發(fā)電機定子繞組中產生極大的短路電流，電網(wǎng)電壓也急劇下降。例如 ： 當發(fā)電機端部發(fā)生三相短路時，短路電流可以達到額定電流的十倍以上，此電流產生的熱量和機械力可比正常值大一百倍以上，對發(fā)電機有巨大的破壞作用。 發(fā)電機 短路的原因很多，但不外乎是維護不周，檢修不良，受到機械損傷，絕緣老化，誤操作等等。防止短路故障的最好手段是操作人員加強對電站設備的日常維護，定期的檢查絕緣情況，認真地執(zhí)行操作規(guī)范。 處理發(fā)電機短路故障，通常在技術上采用繼電保護裝置，以限制短路的破壞作用，并保證在故障發(fā)生后，能自動地、迅速地切除故障部分，最大限度地保護整個電站，避免故障的進一步擴大 ； 處理發(fā)電機短路的原則就是既要保護發(fā)電機，又要保證不中斷電網(wǎng)供電，因此要兼顧到保護的選擇性和快速性問題。實現(xiàn)選擇性的兩個基本原則 ： 時間原則和電流原則。根據(jù)以 上原則，并考慮到保護的可靠性，我國的《鋼質海船入級與建造規(guī)范》 （ 以下簡稱“規(guī)范 ” ） 作了這樣的規(guī)定 [8]： “對于船舶發(fā)電機外部短路保護一般應該設有短路延時和短路瞬時動作保護。短路短延時保護的啟動電流整定為 3 到 5 倍的發(fā)電機額定電流。動作時限則整定為 到 秒，作用于發(fā)電機跳閘，短路瞬時保護的啟動電流整定為 5 到10 倍的發(fā)電機額定電流，瞬時動作于發(fā)電機跳閘?！? 過流、過載保護 當船舶電站在運行過程中，如果發(fā)電機的容量不能滿足負載增長的需要時，或者因并聯(lián)運行的發(fā)電機間因為負荷分配不恰當時， 都可能造成發(fā)電機過載現(xiàn)象的發(fā)生，也就是運行著的發(fā)電機的輸出功率或者電流超出了其額定值。不論是負載電流超過了發(fā)電機的額定電流，還是負載的有功功率超過了發(fā)電機的額定功率，這都將對發(fā)電機產生不利的影響。發(fā)電機如果長時間在這種不正常的狀態(tài)下運行，會使發(fā)電機過熱，引起絕緣老化和損壞，以及原動機的壽命縮短和部件損壞等。所以，應裝設相應的保護，以保護發(fā)電機組。對于同步發(fā)電機的過載，可以用過電流來加以檢測。因為同步發(fā)電機上裝有自動電壓調整器，在電壓不變的 12 情況下，當發(fā)電機過載時，必然要出現(xiàn)輸出電流過大的現(xiàn)象，所以只要監(jiān)視輸出電流就可以間接地判斷系統(tǒng)是否過載。對同步發(fā)電機過載采取的保護措施和處理方法，也要兼顧到兩個方面 ： 一方面要保護發(fā)電機不受損壞 ； 另一方面還要考慮到盡量保證不中斷供電。因此，當發(fā)電機過載時，延時確認報警之后要根據(jù)過載的大小來判斷應該采取的措施。將一部分不重要的負載先自動卸掉，以消除發(fā)電機的過載現(xiàn)象，并保證重要負載的不間斷運行。 2. 3. 3 欠壓保護 當調壓器失靈或由于發(fā)電機外部發(fā)生持續(xù)性短路故障沒有及時切除等原因時，都將出現(xiàn)發(fā)電機電壓下降的現(xiàn)象。 “規(guī)范”規(guī)定 [8]“并聯(lián)運行的發(fā)電機應設有欠壓保 護，并能滿足如下要求 ： 用于避免發(fā)電機不發(fā)電時斷路器若合閘則瞬時動作 ： 當電壓降至額定電壓的 70%到 35%時，應經系統(tǒng)選擇性保護要求的延時動作方能動作?！? 發(fā)電機在欠壓的情況下運行，會引起電機電流的增加，電動機轉矩下降，發(fā)電機過熱，絕緣老化，這些對發(fā)電機本身和異步電動機的運行等都是不利的。因此，維持船舶發(fā)電機端電壓恒定 （ 在允許的范圍內變化 ） 是非常重要的。自動電壓調整器能夠自動的調整發(fā)電機勵磁，使發(fā)電機端電壓保持在允許變化的范圍內?！耙?guī)范”對動態(tài)指標的規(guī)定為 ： “交流發(fā)電機在負載 為空載、轉速為額定轉速，電壓接近額定值的狀態(tài)下突加或突卸 60%額定電流及功率因數(shù)不超 %（ 滯后 ） 的對稱負載時，當電流跌落時，其瞬態(tài)電壓值應不低于額定電壓的 85%； 當電壓上升的時候，其瞬態(tài)電壓值應不超過額定電壓的 120%，而電壓恢復到與最后穩(wěn)定值相差 3%以內所需要的時間應不超過 。 發(fā)電機欠壓保護的任務就是當發(fā)電機在低電壓時，保證發(fā)電機合不上閘，或者能夠自動從電網(wǎng)中斷開。 逆功率保護 當幾臺同步發(fā)電機并聯(lián)運行時，若其中一臺發(fā)電機的原動機出現(xiàn)故障，例如原動機燃油供應中斷或 者發(fā)電機與原動機的聯(lián)軸節(jié)損壞等，便會產生逆功率現(xiàn)象。發(fā)生逆功現(xiàn)象時，故障機不但不發(fā)出有功功率，反而要從系統(tǒng)中吸收有功功 13 率，即同步發(fā)電機變成了同步電動機。船舶電網(wǎng)出現(xiàn)逆功率時，將對系統(tǒng)產生不利的影響，極有可能造成另一臺在網(wǎng)機的過載，所以要對發(fā)電機實行逆功率保護措施，其主要任務是當發(fā)電機出現(xiàn)逆功率運行時，將該故障發(fā)電機從系統(tǒng)中切除。 由于逆功率保護具有一定的時限，不需要立即脫網(wǎng)，根據(jù)“規(guī)范”要求 ： “當原動機為柴油機時，整定為發(fā)電機額定功率的 8巧 %； 當原動機為汽輪機時，整定為發(fā)電機額定功率的 26%.”本試驗系 統(tǒng)中整定逆功率限值為額定功率的 10%，延時確認時間為 5 秒。當并聯(lián)機組中出現(xiàn)一臺機組逆功，并達到保護的啟動值后，系統(tǒng)延時 5 秒鐘報警，并判斷此時是否有正常的備用機組，若有就啟動備有機組，并迅速調用直接停機程序，阻塞機組。備用機組啟動成功后，開始并車，不論成功與否，均向系統(tǒng)匯報。 第 3 章 船舶發(fā)電機綜合保護試驗裝置的總體設計 3. 1 船舶發(fā)電機綜合保護試驗裝置的總體結構 船舶發(fā)電機綜合保護試驗裝置主要是由船舶發(fā)電機控制屏、繼電器保護單元、電網(wǎng)參數(shù) （ 電壓、電流 ） 檢測與變送單元、 AM 轉換單元、頻率及功率因素角檢測 單元、開關量輸入輸出單元、中央處理單元、通信電平轉換單元、上位PC 機控制單元和鍵盤顯示單元等組成，硬件結構圖如圖 31 所示。 圖 31 船舶發(fā)電機綜合保護試驗裝置硬件結構圖 其中，電網(wǎng)參數(shù)檢測與變送單元、 A/D 轉換單元、頻率及功率因素角檢測單元、開關量輸入輸出單元、通信電平轉換單元和中央處理單元構成單片機控制系 14 統(tǒng)，系統(tǒng)中固化了 INTEL HEX 文件 ； 上位 PC 機和鍵盤顯示單元通過與單片機控 制系統(tǒng)之間進行串行通信實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)和操作命令的傳輸，最終實現(xiàn)上位機對船舶發(fā)電機 綜合保護試驗裝置的遙控和遙測。而繼電器保護裝置是一套相對獨立的試驗裝置，可以通過手動的方式實現(xiàn)對船舶發(fā)電機的過載、外部短路、欠壓和逆功率等四項實驗。 3. 2 單片機控制系統(tǒng)的設計 單片機控制系統(tǒng)是上位 PC 機與繼電保護試驗裝置之間的聯(lián)系紐帶，它主要由中央處理單元、通信電平轉換單元、周期測量單元、相位差測量單元、 A/D 轉換單元、開關量輸入 /輸出單元、波形變換單元、交直變換單元和繼電器驅動單元等部分組成。其中 ： 交直變換單元的直流電量輸出到 A/D 轉換單元，再由 A/D 轉換單元 （ 包括三相電壓和三相電流 ） 送中央處理單元 ； 波形變換單元的方波輸出送到周期測量單元和相位差測量單元，測量結果 （ 16 位數(shù)字量 ） 再送中央處理單元 ； 繼電保護試驗裝置改造過程中引入了眾多繼電器。其中一部分繼電器常開觸點狀態(tài)量經由開關量輸入單元送中央處理單元 ； 中央處理單元送來的動作指令通過開關量輸出單元發(fā)送到繼電器驅動單元，驅動與試驗裝置內部動作繼電器觸點并聯(lián)的另一部分繼電器觸點開合，從而實現(xiàn)各種實驗狀態(tài) ； 經過通信電平轉換單元，中央處理單元發(fā)往上位機的信號電平從原有的 TTL電平變?yōu)?RS232 電平，PC 機通過串口發(fā)往中央處理單元的 RS232 電平變?yōu)橹醒胩幚韱?元可以接收的TTL 電平，上下位機信號電平的匹配才可能實現(xiàn)上下位機的串行通信 。 船舶發(fā)電機綜合保護試驗裝置硬件結構圖如圖 31 所示，其中與繼電保護裝置有直接電氣連接的有波形變換單元、交流變換單元、繼電器驅動單元和開關量單元。由于周期測量單元和相位測量單元可以識別的只有方波信號，所以波形變換單元的功能就是將從繼電保護試驗裝置采集來的單相電壓 （ Uab