船用发电机差动保护主要功能、原理、置配置要求

        船用发电机差动保护是船舶电力系统中用于保护发电机定子绕组及其引出线免受内部短路故障（如相间短路、匝间短路）损坏的核心主保护。其核心目标是快速、选择性地切除发生在差动保护区域内的故障，最大限度地保护发电机并维持船舶电网的稳定。

核心原理

        差动保护基于基尔霍夫电流定律 (KCL)：

        保护区定义： 保护区域通常定义为发电机定子三相绕组及其引出线，从发电机中性点引出端子到发电机出线断路器内侧（或主汇流排连接点）。

        电流测量点： 在保护区的两端（发电机中性点侧和发电机出线端侧）安装相同型号、相同变比、特性匹配的电流互感器（CT）。

电流比较：

        正常运行状态： 电流从发电机绕组流向负载。理论上，流入保护区（中性点侧CT二次电流）的总电流应等于流出保护区（出线端侧CT二次电流）的总电流。差动继电器测量的是两侧电流的向量差（差动电流 Id），此时 Id ≈ 0。

        外部故障状态： 故障发生在保护区外（如下游配电板或负载）。虽然通过两侧CT的电流都很大，但它们的大小基本相等、方向相反（相对于保护区），因此向量差 Id 仍然很小（主要是CT误差引起的不平衡电流）。

        内部故障状态： 故障发生在保护区内（如定子绕组相间短路）。此时，故障点成为电流的额外“出口”或“入口”，破坏了电流平衡。流入保护区（中性点侧）的电流不再等于流出保护区（出线端侧）的电流。差动继电器检测到显著增大的差动电流 Id。

船用发电机差动保护的特点与要求

        高灵敏度与速动性： 发电机是船舶电站的核心设备，内部故障电流巨大且破坏性强。差动保护必须能灵敏地检测到内部故障并极其快速（通常<100ms） 地动作，跳开发电机出口断路器（ACB）和励磁开关，隔离故障发电机。

        绝对选择性： 只对发生在保护区内的故障动作，对保护区外的故障或系统扰动（如电动机启动、外部短路）应可靠不动作（制动）。

适应船舶环境：

        空间限制： CT和继电器需要紧凑设计。

        振动与冲击： 设备必须能承受船舶运行中的持续振动和可能的冲击。

        环境条件： 需满足高温、高湿、盐雾腐蚀等恶劣环境要求（如符合船级社标准IP22或更高）。

        电压波动： 保护装置电源需适应船舶电网的电压波动范围。

克服不平衡电流：

        CT误差： 两侧CT的特性（励磁特性、饱和特性）不可能完全一致，特别是在外部故障大电流或存在直流分量时，会产生较大的暂态不平衡电流。

        励磁涌流： 发电机合闸或外部故障切除后电压恢复时，可能产生幅值较大、含有大量二次谐波和直流分量的励磁涌流，容易导致差动保护误动。

        和应涌流： 当一台发电机已运行，并联另一台发电机时，可能影响运行发电机的电流，产生不平衡。

关键技术（提高可靠性）

        为了解决不平衡电流问题，现代船用发电机差动保护继电器普遍采用比率制动特性和谐波制动：

比率制动特性：

        原理： 动作量（差动电流 Id）和制动量（制动电流 Ib，通常取两侧电流的平均值或最大值）进行比较。

        特性曲线： 继电器动作特性是一条折线（通常两段或三段）。当 Ib 较小时（对应正常运行或轻微外部故障），允许较小的 Id 动作（提高内部轻微故障灵敏度）。当 Ib 增大时（对应外部严重故障），要求更大的 Id 才能动作（提高抗外部故障能力）。

        公式简化表示： Id > Iop0 (最小动作电流) 且 Id > S * Ib (制动系数斜率)。只有同时满足这两个条件才动作。

        优点： 有效区分内部故障和外部故障，尤其能抑制外部故障大电流时CT饱和引起的不平衡电流。

        谐波制动（主要用于防涌流误动）：

        原理： 检测差动电流 Id 中的谐波分量（主要是二次谐波）。

        应用： 励磁涌流中含有很高的二次谐波分量（通常>15%-20%）。当检测到 Id 中二次谐波含量超过设定阈值时，继电器判断为涌流，闭锁差动保护出口。

        注意： 严重内部故障时，故障电流也可能含有一定谐波，但通常二次谐波含量较低。需要合理整定谐波制动比。

典型配置与接线

电流互感器：

        中性点侧CT： 安装在发电机中性点接地电阻柜之前（如果中性点经电阻接地）或直接在中性点引出线上。

        出线端侧CT： 安装在发电机出口断路器（ACB）的发电机侧。

        要求： 两组CT型号、变比完全相同，特性尽量一致。连接极性必须正确（保证正常运行/外部故障时二次电流相位相反）。

        差动继电器： 现代船舶通常采用多功能数字式保护继电器（如Siemens SIPROTEC, ABB REF, GE Multilin等），其中集成了发电机差动保护功能（87G）。这些继电器具有比率制动和谐波制动功能，参数可灵活整定。

        接线： 两侧CT的二次绕组按循环电流法接线接入差动继电器的相应电流输入端子（确保极性正确）。继电器输出跳闸信号至发电机ACB的分闸线圈和励磁系统的灭磁回路。

整定与测试

        整定： 需要由专业工程师根据发电机具体参数（额定电流、短路阻抗等）、CT参数、系统接地方式等进行计算和整定，关键参数包括：

        最小动作电流 Iop0

        制动系数斜率 S

        二次谐波制动比

        CT断线监视设定值（可选）

        动作时间

        测试： 在安装和定期检修时，必须进行严格的测试：

        接线检查： 确认CT极性绝对正确。

        静态测试： 使用继保测试仪模拟各种工况（正常负荷、外部故障、内部故障、励磁涌流），验证继电器动作特性是否符合整定值和逻辑要求。

        动态测试（有条件时）： 在发电机实际运行或模拟运行状态下进行验证。

船级社规范

        主要船级社（如DNV GL, LR, ABS, BV, CCS等）的规范（如IEC 60092系列、各船级社自己的电气规范）通常对发电机保护有强制性要求。对于多大容量的发电机必须配置差动保护，各规范可能有细微差别，但普遍要求主发电机组（尤其是大容量发电机）必须配备差动保护。规范会规定保护的功能、性能、测试要求等。

总结

        船用发电机差动保护（87G）是保障船舶电力系统“心脏”——发电机安全的最重要防线之一。它利用电流向量差原理，通过精密的比率制动和谐波制动技术，实现了对发电机内部短路故障的快速、灵敏和可靠切除，同时有效防止了在正常运行、外部故障和涌流情况下的误动作。其正确设计、选型、安装、整定、测试和维护对于船舶电站的安全稳定运行至关重要，必须严格遵循相关技术标准和船级社规范。