船舶电力系统过电流选择性保护指南.pdf
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指导性文件GUIDANCENOTESGDXX-XXXX中国船级社船舶电力系统船舶电力系统过电流选择性保护指南过电流选择性保护指南上海规范研究所2007年1月目录第第1章章通通则则.11.1一般要求.11.2定义.11.3符号和代号.6第第2章章常用保护电器及其选择常用保护电器及其选择.82.1概述.82.2断路器.82.3熔断器.182.4差动保护继电器.19第第3章章电力系统的过电流选择性保护电力系统的过电流选择性保护.253.1一般要求.253.2主发电机之间及其与以下各级之间的短路选择性保护.303.3主汇流排与应急汇流排等及其下一级之间的短路选择性保护.333.4电力和照明变压器初级与照明汇流排之间的短路选择性保护.343.5主(或应急)照明汇流排与其下一级之间的短路选择性保护.363.6应急发电机与其以下级之间的短路选择性保护.373.7接地故障电流选择性保护.38附录附录A电力系统过电流选择性保护协调分析实例电力系统过电流选择性保护协调分析实例1.39A.1电力系统简介.39A.2概述.39A.3系统各级保护电器的设置及其整定值.42A.4电力系统有关各级保护电器协调动作分析及时间电流特性曲线图.47附录附录B电力系统过电流选择性保护协调分析实例电力系统过电流选择性保护协调分析实例2.56B.1电力系统简介.56B.2概述.57B.3系统各级保护电器的设置及其整定值.57B.4电力系统有关各级保护电器协调动作分析及时间电流特性曲线图.621第第1章章通通则则1.1一般要求1.1一般要求1.1.1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,直至发生船舶碰撞和产生火灾的严重后果。
为此,本社规范对电气装置中的过电流保护作出了不少具体规定。
规范还对在船舶电力系统的某处发生过电流故障时,如何确保无故障重要设备电路的供电连续性,即实现电力系统过电流选择性保护提出了原则要求。
1.1.2本指南除了对船舶电力系统各部分如何实现过电流选择性保护作出具体规定之外,还对短路保护电器的动作灵敏性提出了要求,因为这是实现过电流选择性保护的基础。
其他保护,例如欠电压保护和逆功率保护等的动作特性,应与过电流选择性保护的要求相协调。
1.1.3本指南规定适用于主电站总容量大于250kVA的各类船舶。
对其他船舶,除本社规范有明文规定者外,可参照执行。
1.1.4送审资料符合1.1.3规定的船舶应送审滿足本指南要求的“电力系统保护电器协调动作的分析资料”。
其内容通常包括:
(1)概述,内容包括电力系统各级实现过电流选择性保护的概况等;
(2)与过电流选择性保护有关的保护电器的设置及其整定值表;(3)电力系统各级保护电器协调动作分析及其时间电流特性曲线图(上、下数级保护电器的时间电流特性曲线画在同一图上)。
1.2定义1.2定义1.2.1除了本社钢质海船入级规范第4篇有关定义以外,下列定义适用于本指南:
(1)过电流
(1)过电流over-current超过额定电流值的任何电流。
(2)过载overload
(2)过载overload2超过额定负载的负载。
(3)短路short-circuit(3)短路short-circuit电路中在正常情况下处于不同电压下的两点或更多点之间,通过一比较低的电阻或阻抗的偶然或有意的连接。
(4)过电流保护电器的过电流保护协调(4)过电流保护电器的过电流保护协调over-currentprotectiveco-ordinationofover-currentprotectivedevice两个或多个过电流保护电器串联起来,用以保证过电流选择性保护和/或后备保护的实现。
(5)过电流选择性(5)过电流选择性over-currentdiscrimination两个或多个过电流保护电器之间的动作特性的配合。
在给定的范围内出现过电流时,指定在此范围动作的保护电器动作,而其他保护电器不动作。
(6)开关电器switchingdevice(6)开关电器switchingdevice用于接通或分断一个或几个电路中电流的电器。
注:
一个开关电器可以完成一个或两个操作。
(7)(7)机械开关电器mechanicalswitchingdevice机械开关电器mechanicalswitchingdevice借助可分开的触头的动作闭合和打开一个或多个电路的开关电器。
注:
任何机械开关电器可根据触头打开或闭合所处的介质(例如:
空气、SF6、油)来命名。
(8)(机械的)断路器circuitbreaker(mechanical)(8)(机械的)断路器circuitbreaker(mechanical)能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流,也能在规定的非正常电路(例如短路)下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器。
(9)塑料外壳式断路器moldedcasecircuitbeaker(9)塑料外壳式断路器moldedcasecircuitbeaker具有一个用模压绝缘材料制成的外壳作为断路器整体部件的断路器。
(10)壳架等级电流framesize(10)壳架等级电流framesize表示一组断路器特性的术语,其结构尺寸对几个电流额定值者相同。
壳架等级电流以相应于该组电流额定值的最大值表示。
在一壳架等级中,宽度可随极数而不同。
注:
此定义不包含尺寸标准化。
(11)(机械开关电器的)脱扣器release(ofamechanicalswitchingdevice)(11)(机械开关电器的)脱扣器release(ofamechanicalswitchingdevice)与机械开关电器相连的、用它来释放保持机构而使开关电器打开或闭合的部3件。
(12)(12)过电流继电器或脱扣器过电流继电器或脱扣器overcurrentrelayorrelayorrelease当继电器或脱扣器中的电流超过预定值时,使机械开关电器有延时或无延时地动作的继电器或脱扣器。
注:
在某些情况下,预定值取决于电流的上升率。
(13)(13)短路脱扣器短路脱扣器short-circuitrelease用作短路保护的过电流脱扣器。
(14)(14)短延时短路脱扣器短延时短路脱扣器short-timeshort-circuitrelease用于在短延时结束后动作的过电流脱扣器。
(15)(15)瞬时继电器或脱扣器instantaneousrelayorrelease瞬时继电器或脱扣器instantaneousrelayorrelease无任何人为延迟动作的继电器或脱扣器。
(16)(16)定时限过电流继电器或脱扣器定时限过电流继电器或脱扣器definitetime-delayrelayorreleaserelayorrelease经一定延时后动作的过电流继电器或脱扣器,其延时动作时间可以调整,但不受过电流值的影响。
(17)反时限过电流继电器或脱扣器(17)反时限过电流继电器或脱扣器inversetime-delayrelayorreleaserelayorrelease经一定延时后动作的过电流继电器或脱扣器,其延时动作时间与通过的过电流成反比。
注:
上述继电器或脱扣器应设计成在较高电流时接近1个确定的最小值。
(18)分励脱扣器shuntrelease(18)分励脱扣器shuntrelease由电压源激励的脱扣器。
注:
电压源可与主电路电压无关。
(19)(过电流继电器或脱扣器的)动作电流operatingcurrent(ofa(19)(过电流继电器或脱扣器的)动作电流operatingcurrent(ofaover-currentrelayorrelayorrelease)当电流等于或大于此值时,继电器或脱扣器能动作的电流值。
(20)(过电流或过载继电器或脱扣器的)电流整定值currentsetting(ofa(20)(过电流或过载继电器或脱扣器的)电流整定值currentsetting(ofaover-currentoverloadrelayorrelayorrelease)与继电器或脱扣器的动作特性有关,且用来确定继电器或脱扣器动作的主电路电流值。
注:
继电器或脱扣器可有一个以上的电流整定值,整定值可用可调的刻度盘、可更换的加热器等方式确定。
4(21)(过电流或过载继电器或脱扣器的)电流整定值范围currentsettingrange(ofa(21)(过电流或过载继电器或脱扣器的)电流整定值范围currentsettingrange(ofaover-currentoverloadrelayorrelayorrelease)可调整的继电器或脱扣器电流整定值的最大值与最小值之间的范围。
(22)熔断器fuse(22)熔断器fuse当电流超过规定值足够长的时间,通过熔断一个或几个特殊设计的和成比例的溶体分断此电流,由此断开其所接入电路的电器。
熔断器由形成完整电器的所有部件组成。
(23)熔断体fuse-link(23)熔断体fuse-link带有熔体的熔断器部件,在熔断器熔断后可以更换。
(24)熔体fuse-element(24)熔体fuse-element在熔断器动作时熔化的熔断器部件,熔断体可以由几个并联的熔体组成。
(25)指示器indicator(25)指示器indicator指示熔断器是否动作的部件。
(26)撞击器striker(26)撞击器striker熔断体的机械部件。
当熔断器动作时释放所需的能量,以促使其他部件或指示器动作,或者提供互锁。
(27)(熔断器的)弧前时间pre-arcingtime(ofafuse)(27)(熔断器的)弧前时间pre-arcingtime(ofafuse)从一个足够使熔断体熔化的电流出现至电弧产生的瞬间之间的时间间隔。
(28)(28)(一极或熔断器的一极或熔断器的)燃弧时间燃弧时间arcingtime(ofapoleorfuse)从开关电器一极或熔断器电弧产生的瞬间起,至该极或熔断器中电弧最终熄灭之间的时间间隔。
(29)(29)(多极开关电器的多极开关电器的)燃弧时间燃弧时间arcingtime(ofmultipoleswitchingdevice)从第一个电弧产生的瞬间起,到所有极电弧最终熄灭的瞬间止的时间间隔。
(30)(30)(机械开关电器的机械开关电器的)断开时间断开时间openingtime(ofmechanicalswitchingdevicemechanicalswitchingdevice)开关电器从断开操作开始瞬间到所有极的弧触头都分开瞬间为止的时间间隔。
对断路器而言:
直接动作的断路器,断开开始的瞬间是指电流增大到足以导致断路器动作开始的瞬间;5利用任何辅助电源动作的断路器,断开开始的瞬间是指辅助电源施加于断开脱扣器的开始瞬间。
注:
断开操作开始的瞬间,即发出断开指令(例如施加脱扣电流等)的瞬间。
对于断路器,“断开时间”通常被称为“脱扣时间”。
严格地说脱扣时间是表示断开操作开始的瞬间到断开命令变成不可逆的瞬间之间的时间间隔。
(31)分断时间(31)分断时间breaktime从开关电器的断开瞬间(或熔断器的弧前时间)开始时起,到燃弧时间结束瞬间止的时间间隔。
注:
为了防止产生歧义,本指南称“全分断时间”。
对于熔断器,另有“熔断时间operatingtime”术语,其含义为“弧前时间和燃弧时间之和”。
实质上与术语“分断时间”是一致的。
(32)(开关电器的)接通能力makingcapacity(ofaswitchingdevice)(32)(开关电器的)接通能力makingcapacity(ofaswitchingdevice)在规定的使用和性能条件下,开关电器在规定的电压下能接通的预期接通电流值。
注:
规定的电压和条件见有关产品标准。
短路接通能力见(34)。
(33)(开关电器的或熔断器的)分断电流breakingcurrent(ofaswitchingdeviceorafuse)(33)(开关电器的或熔断器的)分断电流breakingcurrent(ofaswitchingdeviceorafuse)在规定的使用和性能条件下,开关电器或熔断器在规定电压下能分断的预期分断电流值。
注:
规定的电压和条件见有关产品标准。
对交流电流,用交流分量对称方均根值表示短路分断能力见(35)。
(34)(34)短路接通能力short-circuitmakingcapacity短路接通能力short-circuitmakingcapacity在规定的条件下,包括开关电器出线端短路在内的接通能力。
(35)短路分断能力short-circuitbreakingcapacity(35)短路分断能力short-circuitbreakingcapacity在规定的条件下,包括开关电器岀线端短路在内的分断能力。
(36)(36)极限短路分断能力极限短路分断能力ultimateshort-circuitbreakingcapacity按规定的试验程序所规定的条件,不包括断路器连续承载其额定电流能力的短路分断能力。
(37)(37)运行短路分断能力运行短路分断能力serviceshort-circuitbreakingcapacity6按规定的试验程序所规定的条件,包括断路器连续承载其额定电流能力的短路分断能力。
(38)(38)短时耐受电流短时耐受电流short-timewithstandcurrent在规定的使用和性能条件下,电路或在闭合位置上的开关电器在指定的短时间内所能承载的电流。
(39)主汇流排mainbusbar(39)主汇流排mainbusbar由主发电机直接供电的汇流排。
(40)低压主汇流排(40)低压主汇流排low-voltagemainbusbarmainbusbar在采用较高电压的主发电机时,通过变压器将其变为较低电压,直接(不再经变压器变压)对船舶正常操作和满足正常居住条件所需的电力辅助设备供电的汇流排。
(41)灵敏系数sensitivitycoefficient(41)灵敏系数sensitivitycoefficient表征保护电器动作灵敏性的系数。
对过电流保护电器而言,可表示为:
灵敏系数=金属性短路的最小短路电流计算值/保护电器的动作整定值。
注:
这里的“最小短路电流计算值”,系指在单台最小发电机供电情况下,被保护电路末端短路时的短路电流计算值。
1.3符号和代号1.3.1本指南采用下列符号和代号1.3符号和代号1.3.1本指南采用下列符号和代号本指南所采用的符号和代号如表1.3.1所示。
符号和代号表1.3.1符号或代号名称或含义Ue额定工作电压In额定电流Ir脱扣器电流整定值Icn额定短路分断能力Icm额定短路接通能力Icu额定极限短路分断能力Ics额定运行短路分断能力Icw额定短时耐受电流ip峰值短路电流(峰值)Iac对称短路电流7MCCB塑料外壳式断路器MCB小型塑料外壳式断路器,例如壳架等级小于63A的塑料外壳式断路器ACB开启式断路器,是指保护功能较MCCB齐全的断路器。
俗称“框架式断路器”LTD保护长延时过载保护STD保护短延时短路保护INST保护瞬时短路保护G保护接地故障保护注:
表中电流凡标为大写“I”者,均为有效值。
8第第2章章常用保护电器及其选择常用保护电器及其选择2.1概述2.1概述航行在海、河中的船舶,相当于运动着的陆上小城镇。
与陆上电力系统一样,在船舶电力系统的过电流保护中,广泛使用了各种保护电器,例如仪用互感器、各种保护继电器、熔断器以及断路器等。
本社规范规定:
应采用具有合适特性的熔断器或断路器作短路保护和过载保护。
规范还规定:
高压发电机和容量为1500kVA及以上的低压发电机,应配备一合适的保护装置或系统,以能在发电机内部或发电机至其断路器之间的供电电缆发生短路的情况下,使发电机灭磁并使其断路器分断。
如前所述,熔断器和断路器是船舶电力系统中常用的保护电器,此外通常采用差动保护继电器作大容量发电机、电动机(例如:
电力推进电动机)和大容量电力变压器的内部故障保护。
本章内容是将它们的功能、组成、基本特性及其用作过电流保护的选择要求,作一概括的介绍。
熔断器和断路器都有交流、直流和低压、高压(交流大于1000V、直流大于1500V)之分,本章以下内容仅涉及交流低压熔断器和断路器。
低压熔断器和断路器的制造所依据的标准有:
IEC60947-2(GB14048.2)低压开关设备和控制设备第2部分:
低压断路器IEC60269-1(GB13539.1)低压熔断器第1部分:
基本要求IEC60269-2(GB13539.2)低压熔断器第2部分:
专职人员使用的熔断器的补充要求(主要用于工业的熔断器)IEC60269-2-1(GB13539.6)低压熔断器第2部分:
专职人员使用的熔断器的补充要求(主要用于工业的熔断器)第1至5部分:
标准化熔断器示例2.2断路器2.2.1功能2.2断路器2.2.1功能此项GB标准等同采用IEC60947-2标准。
下同。
9断路器是一种能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流;也能在规定的非正常电路(例如短路)下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器。
这里的“机械开关电器”,是指借助可分开的触头的动作闭合和打开一个或多个电路的开关电器。
相对地还有另一种:
利用半导体的导电可控性接通和(或)阻断电路电流的“半导体开关电器”。
船舶电力配电系统中不使用“半导体开关电器”。
隔离和过电流保护是断路器的两项基本功能,其过电流保护是自动实现的,在流过其所在电路的电流超过整定值时,即自动跳闸切断其所保护的故障电路。
因此,国内过去称为“自动开关”。
2.2.2分类2.2.2分类
(1)按使用类别分:
如表2.2.2.1所示,分为A类或B类。
断路器的使用类别表2.2.2.1使用类别选择性的应用A在短路情况下,断路器无明确指明用作串联在负载侧的另一短路保护电器的选择性保护。
即在短路情况下,选择性保护无人为短延时,因而无“额定短时耐受电流”指标B在短路情况下,断路器明确指明用作串联在负载侧的另一短路保护电器的选择性保护。
即在短路情况下,选择性保护有人为短延时(可调节),这类断路器具有“额定短时耐受电流”指标
(2)按分断介质分,例如:
空气分断;真空分断;气体分断。
船用低压断路器都采用空气分断,一般称空气断路器。
(3)按设计型式分,例如:
开启式(以前国内称“万能式”或“框架式”,本指南代号为“ACB”);塑料外壳式(本指南代号为“MCCB”或“MCB”)。
(4)按操作机构的控制方法分,有:
有关人力操作;无关人力操作;有关动力操作;10无关动力操作;储能操作。
(5)按是否适合隔离分:
适合隔离;不适合隔离。
(6)按安装方式分,例如:
固定式;插入式;抽屉式。
(7)按极数分:
2极;3极;4极。
2.2.3结构和组成2.2.3结构和组成低压断路器由下列几个主要部分组成(参见图2.2.3):
(1)固定的和移动的触头;
(2)灭弧室;(3)自由脱扣机构;(4)过电流脱扣器和其它脱扣器(例如欠电压脱扣器等);(5)进、出线接线端子;(6)与自由脱扣机构相连的手柄;(7)其它电气附件,例如辅助触头、电动合闸机构(小规格除外)以及指示和测量环节(电子脱扣器的常用选件)等。
其中过电流脱扣器是断路器的神经中枢,当它感受到故障过电流时,就触动自由脱扣机构使其脱扣,切断故障电路。
现有热磁脱扣器和电子脱扣器两种,前者是断路器的经典产品,现一般仅塑壳式断路器有这种产品。
其脱扣器由两部分组成:
一是由双金属片组成的热元件,在流过过载电流时,该热元件发生变形触动自由脱扣机构,使断路器脱扣。
这一加热过程至断路器脱扣,时间较长,达几十秒钟至几分钟,故称“长延时”,英文缩写为“LTD”;其二实际上是个电磁铁,在强大的短11路电流作用下该电磁铁触动了,使断路器快速脱扣,故称“瞬时”,英文缩写图2.2.3低压断路器的主要组成部分示意图为“INST”。
电子脱扣器是近几十年来的新产品,是电子和电子计算机技术发展成果的应用。
与热磁脱扣器相比,具有保护功能齐全:
过电流保护有LTD、STD和INST三段保护,以及需要时还可很方便地增加接地故障保护;整定调试方便、受温度影响相对较小等特点。
因而获得广泛的应用,装有电子脱扣器的断路器的份额也越来越大,这也为船舶电力系统过电流选择性保护的实现提供了有利条件。
近年来,随着计算机技术的快速发展,有些断路器除了保护功能以外,还具备如测量(包括电能质量分析)、诊断、通信、控制和监视等功能。
2.2.4基本特性
(1)基本参数2.2.4基本特性
(1)基本参数除了某些产品(例如2.2.4(4)所述NS系列800A以下MCCB)以外,根据实际需要,可以选用只具有LTD、STD两段保护的断路器。
12额定工作电压额定工作电压Ue断路器在正常(不间断的)情况下工作的电压。
额定绝缘电压额定绝缘电压Ui这是电介质测试电压(通常大于2Ui)和爬电距离所涉及的电压值。
额定工作电压的最大值不得超过额定绝缘电压,即UeUi。
额定电流额定电流In这是配有专门的过电流脱扣器的断路器,在制造厂规定的环境空气温度下,所能连续承受的最大电流值,不会超过电流承受部件规定的温度限值。
壳架等级电流壳架等级电流配备有不同电流整定值过电流脱扣器的断路器,其最高的过电流脱扣器所能整定的电流值。
过载脱扣器脱扣电流整定值过载脱扣器脱扣电流整定值Ir通常过载脱扣器都是可调的,电流超过脱扣电流整定值Ir,断路器就会跳闸。
它还代表着断路器不跳闸时所能承受的最大电流。
该Ir值应大于最大负载电流,但小于电路所允许的最大电流。
热脱扣器通常可在0.71.0In范围内调整,而电子脱扣器,其调整范围会更大,通常可在0.41.0In范围内调整。
短路脱扣器短路脱扣器(瞬时或短延时瞬时或短延时)脱扣电流整定值脱扣电流整定值Ii或或Isd短路脱扣器(瞬时或短延时)用于短路电流出现时,使断路器快速跳闸,其电流整定值为Ii或Isd。
某公司典型产品短路脱扣器的脱扣电流整定值或整定范围如表2.2.4所列,其它产品详见其产品样本。
某公司典型产品短路脱扣器脱扣电流整定值表2.2.4脱扣器类型短延时脱扣瞬时脱扣固定值:
Ii=710In热磁可调范围:
低整定值:
25In高整定值:
510In电子1.5IrIsd10IrIi=1215In
(2)时间电流特性曲线时间电流特性曲线13这是描绘断路器在遇到过电流故障时,自动分断所需的时间相对于流过它的图2.2.4a热磁脱扣器断路器的时间电流特性曲线示意图图2.2.4b电子脱扣器断路器的时间电流特性曲线示意图电流的关系曲线。
这一特性曲线都是以电流I为横坐标,时间t为纵坐标,两个坐标轴均应采用对数坐标。
断路器的时间电流特性曲线示意图如图2.2.4a和图2.2.4b所示。
由于工厂制造误差和环境空气温度的影响,这一时间电流特性曲线,实际上都呈带状。
断路器产品的时间电流特性曲线都画
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