船舶高压电站中的短路故障及保护方法

杨振华 中交广州航道局有限公司

1.电力管理系统组成

在基于CAN（ControllerArea Net work，控制器局域网络）现场总线技术中，JACOM-22型电力管理系统属于较全面的全分布式智能型PMS（PowerManagement System，电力管理系统）。

分别对各发电机的控制屏幕进行合理配套，均包含主单元、显示单元、操作单元。依托于CAN-BUS，实现主单元间的数据通信且CAN总线可传递通信信号，也能够根据实际需求对电站参数做合理化的调整。针对电站的操作与控制具有便捷性，员工可在操作站高效完成。从系统组成的角度来看，主单元为关键组成部分，具体又以带微控制器的I/O模块为主。硬件配置方面，主单元与CAN主线相连，配套的是I/F组件，在其支持下完成A/D转换操作。

2.短路故障分析

短路故障类型多样，常见有三种，即两相对地、两相间与三相短路。在日常运行中，若发生船舶高压电站短路的情况，可采用对称分量法加以处理，其基本思路是将不对称的三相电压相量和三相电流相量做分解处理，经此操作后，产生的是三相频率对称电压和对称电流，具体的对称分量，如图1所示。

图1 对称分量示意图

结合图1信息展开分析：I A+/IB+/IC+幅值相同、IA-/IB-/IC-幅值相同，前者的相位顺时针方向差值、后者的相位逆时针方向差值均为120°，分别视为正序分量、负序分量；IA0/IB0/IC0幅值一致，因其方向一致，所以该幅值叫做零序分量。

2.1 单相接地短路

2.2 两相接地短路

虽然，在三种短路故障中，两相接地短路出现频率并不高，但同样存在出现这一故障的可能性。在该故障中，幅值总相等，此时的电流值大小远超过正常电流值，且故障位置电压值为0。

2.3 三相短路

三相短路也是较为普遍的故障，此时系统无负序、零序电流，仅有正序电流。此外，该问题发生时，各短路相电流值完全一致。

2.4 短路保护原理及算法

2.4.1 对称性短路保护

电流值是重要的参数，可以作为三相对称性短路故障分析的关键参考，也就是说短路保护电流值大小是电动机起动电流和其他设施限定电流的总和。图2呈现了对称法短路保护的具体特征。

结合图2内容展开分析。图中，曲线1为大型电动机起动特性，曲线2、3则反映的是在三相短路整定值不一致的条件下所存在的保护特性；曲线上a、a’、b、b’、c、c’依次表示曲线反时限、定时限以及速断保护曲线。可见，较之于整定电流，若电流值高于该值，将及时启动保护。然而，若是启动的时候电机电流值偏大，那么线路短路电流并无明显异常，此时便不易进行整定。因此，在部分工程场景中，对短路电流的整定值做特定的设置，取额定电流的10倍，此方法的优势在于可躲开起动电流，但值得注意的是，如果启动电流偏大，还是无法判断是否出现了三相短路故障，极易出现误判。

图2 过流保护特性和大电流启动特性

船舶项目中最常见的发动机便是鼠笼式异步电动机，该设备在启动之初将产生较大电流，但其功率因数却能够一直保持较低的水平。而一旦其出现三相短路，此时功率因数将明显升高。由此可见，施工人员可以通过观察电流、功率因数等的参数的变化了解电动机是否出现了故障。基于此，该保护方式可称为相敏保护法，通过这一方法即可大大降低三相短路故障发生的可能性。

2.4.2 不对称性短路保护

相敏保护不拥有保护特征。上文通过分析对称分量的变化过程可以发现，项目出现不对称故障的问题时，线路将出现负序电流。因此，可着重考虑两相短路和单相断相，分别探讨各自对应的负序电流值，针对该指标做出分析后判断是否有不对称故障。

3.短路故障保护算法的仿真分析

在常规的船舶高压电站短路故障中，受周边自然环境及船体自身因素的制约，短路故障会出现一个“亦真亦假”的现象，这很不利于后续作业的顺利开展。基于此，技术人员会在短路故障保护计算中，借助专业的系统模块对实际的故障情况做一个真伪辨别。

3.1 故障保护算法中的S-函数实现

该算法的展开是借助一定的系统模块实现，其中的S-函数格式兼具识别及撰写功能，在具体计算过程中，可对数据产生的系统模块予以代码转换，并生成单独的特定文件，故S-函数法被大量的运用到故障保护计算当中。

除此之外，介于三相程序中分量分析元件的特殊性，必要时还需对实际的电压及电流情况予以数据矫正和采集工作，并遵守正序、负序和零序的前后顺序逐一展开，由此便可简化整个计算过程，根据最后所得数值对故障值展开调整，直到故障解除为止。

3.2 短路保护算法仿真

如上所述，技术人员在对故障保护计算结束后，需再次以三相电压源为供电源的基础条件，对会出现的短路情况展开保护计算。具体计算之前需对以下参数展开设置：电源线连接类型：Y型；电压设置：6000V；初始相角设置：O°；传输电路：以分布式对数据实现电线路的传输，其中输电线路需按照两根不同长度的线型展开布置，长度分别控制在3km和2km左右。

设置完毕之后，可通过三相不同的电路对短路故障的发生器逐一展开短路试验测试，对各自产生的电流及电压分量参数予以记录，最后利用特定的模块系统构建单独的保护元件，由此完成整个短路故障的计算过程。

4.系统主要功能

4.1 控制功能

JACOM-22系统具有较强的控制功能，通过对发电机、原动机的有效控制，达到保护效果，使发电机控制电路和原动机均维持良好的状态。

JACOM-22系统的控制功能具有多样化的特征，包含频率控制、发电机组起动/停车控制、SG转速负荷控制、发电机原动机保护等多重功能。配套的操作单元面板有突出的人机交互特性，可以借助该载体实现手动、半自动、全自动控制的效果。在实际操作中，按下“AUTO”和“STBY”按钮，可启动全自动控制功能，运行程序，机组自动根据指令做出相应的动作，主要包含启动、并车、解列、停车、调频调载，整个流程的顺畅性较好，动作精准。

4.2 监视功能

JACOM-22具有监视功能，可掌握汇流排、原动机、发电机的运行状态，若现场存在故障将及时做出感应。机舱监视报警系统发出报警信号，自动做出相应的调控动作，以维持供电的稳定性。

4.2.1 监视功能细分

（1）主汇流排监视。主汇流排高（低）电压、主汇流排高（低）频率。

（2）发电机监视。发电机电压异常而跳闸、自动同步合闸失败、VCB故障跳闸、过电流、低负荷、逆功率等。

（3）系统监视。控制电源低压、发电机电流互感器CT监视、发电机电压互感器VT监视、主汇流排电压互感器监视、自检功能。

（4）原动机监视。起动失败、原动机停车失败、冷却水高温、超速、滑油低压等。

4.2.2 用户规定故障的对应等级

船舶电力系统存在异常时，JACOM-22系统可及时感应该状况，有效判断发动机与原动机的运行状态，同时结合故障等级和实际情况，设定一定数量的备用发电机并实现自动切换发电机功能。JACOM-22系统对故障做等级划分处理，共形成7个等级，在此基础上，可根据故障等级采取相应的监视控制措施，在该高精度匹配的模式下保证船舶供电的安全性。作为船舶用户，可结合实际情况规定故障对应的等级。具体的等级划分情况如下：

（1）1故障等级0。LCD显示报警信息，并输出外部报警信号。

（2）故障等级1。备用发电机开始运行，并同步合闸。

（3）故障等级2。故障出现后，备用发电机开始运行，并同步合闸，故障发电机转移负荷、VCB脱扣。

（4）故障等级3。故障发电机的VCB脱扣，备用发电机运行并同步合闸。若遇到断电的情况，此时备用发电机的VCB也将自动合闸。

（5）故障等级4。故障发电机的VCB脱扣，备用发电机建立电压，除此之外的其它各发电机的VCB脱扣；持续1s后，备用发电机的VCB合闸。

（6）故障等级5。故障发电机的VCB脱扣，原动机停车，备用发电机起动。

（7）故障等级6。备用发电机起动并自动合闸，故障发电机转移负荷、VCB脱扣。

5.故障自诊断及处理

JACOM-22系统的功能丰富，运行稳定可靠，其具备故障自诊断的能力。针对电站运行中存在的故障，电力管理系统基本具备自动处理的能力，同时可借助某些措施来调整工作环境，营造正常供电的良好状态。但需注意的是，对于本身系统故障等相关高等级故障，其发生机制错综复杂，不具备自动处理的条件，此时则需要由船舶管理专员采取针对性的处理措施，尽可能在较短的时间内快速处理故障，恢复正常状态。

对于系统自身故障，根据其严重程度可分为两大类：一是轻度故障，可以借助显示单元予以呈现，做出故障报警，在此类故障发生后控制模式仍维持不变；二是严重故障，此时也将经由显示单元进行故障报警，经过相应的处理后，AUTO和直到故障被消除后，才可有效恢复AUTO和STNDBY模式。汇流排短路是最典型的“严重故障”，一旦发生，系统将自行转为手动方式，所有的自动功能均失效。

6.其他短路问题的预防

6.1 外部环境的管理

现场运行条件恶劣，存在诸多外部干扰因素，在多重因素的共同作用下可能会影响到设备的正常运行，导致其出现短路故障。为此，需高度重视短路故障的预防工作，在此方面有必要加大对外部环境的监测力度，根据监测结果判断实际情况，进而采取针对性的管理措施，以免因环境因素而诱发短路故障。

6.2 提高安装调试水平

首先，以规范的方式安装，加大对高压开关柜的防护力度，以免其在安装中发生磕碰，否则可能会导致骨架变形、防腐层刮花等问题，不利于高压开关柜的正常运行。

其次，在并排柜体安装环节，必须加强对基础槽钢水平度的检测与控制，要求每米的误差小于1mm。在安装中置柜时，其配套的基础应满足高度要求。地坪需保持平整，不可存在台阶，以便手车的顺畅出入。运输安装期间，有效防护真空灭弧室，自配的主母线需满足要求，在规定主母线的安装中，真空开关顶部需用硬板盖住。对于连接电气元件的母线，需要注重接头部位的精细化处理，尽可能保证该部位的稳定性。电流较大时，对接头部位做镀银处理，以保证接头部位的可靠性。柜体接地主母线安装环节，需要确保该部分线路与接地网形成稳定的连接关系。

最后，以设计线路为准，有序完成柜体二次引线电缆的敷设作业，合理调整空间位置，要求运动件可自由活动。此外，考虑到裸铜与裸铜连接处易氧化的情况，需刷涂防护剂。

7.结语

综上所述，JACOM-22型电力管理系统集多重功能于一体，可提供控制、监测、保护、管理多重服务，系统融入以网络通信、信息处理、控制与调节为代表的一系列前沿技术，在多重技术的共同促进作用下有效实现系统的各项功能。并且，得益于系统稳定可靠的特性，后期针对系统的维护管理工作量随之减少，可减少资源投入和成本投入。总体来看，船舶电力管理系统有其突出的应用优势，具有推广价值。