应急配电板应急空压机供电回路的过载保护设定及启动电流与运行电流的区分整定方法

应急配电板上的应急空压机是船舶失电时恢复主动力的关键设备，其供电回路的过载保护整定直接影响能否成功启动。本文针对实际操作中最易混淆的两大核心问题——启动电流与运行电流的区分、热磁脱扣器的长延时与瞬时保护整定——提供可直接执行的计算方法与整定步骤。

一、关键参数的获取与确认

1.1 铭牌数据的完整提取

定位 应急空压机本体铭牌与配套电动机铭牌，记录 以下参数：

执行计算 若铭牌缺失额定电流，使用公式：

$$I_N = \frac{P_N \times 1000}{\sqrt{3} \times U_N \times \cos\varphi \times \eta}$$

示例：$P_N = 15\text{kW}$，$U_N = 380\text{V}$，$\cos\varphi = 0.85$，$\eta = 0.88$

$$I_N = \frac{15000}{1.732 \times 380 \times 0.85 \times 0.88} = \frac{15000}{496.5} \approx 30.2\text{A}$$

1.2 启动电流倍数的确立

查阅 电动机技术规格书或型式试验报告，确认 启动电流倍数 $K_{st}$。

保守取值原则：若无确切数据，取 $K_{st} = 7$；有船级社证书时取 证书标称值。

计算 启动电流：

$$I_{st} = K_{st} \times I_N$$

沿用前例：$I_{st} = 6.0 \times 30.2 = 181.2\text{A}$

1.3 启动时间的测定或估算

查阅 空压机制造商提供的启动特性曲线，或实测 启动时间 $t_{st}$。

应急场景特殊考量：应急空压机通常设计为空载启动，$t_{st}$ 一般 不超过 5 秒。

二、启动电流与运行电流的区分逻辑

2.1 电流特性的本质差异

应急空压机供电回路需应对三种电流状态，保护整定必须区别对待：

核心区分原则：

2.2 电流测量的实际执行

使用 钳形电流表或配电板多功能仪表，区分 记录两种电流：

启动电流测量：

• 设置 仪表为"最大/最小值"捕获模式（MAX/MIN）
• 触发 空压机启动
• 读取 峰值电流 $I_{st\_actual}$ 与启动持续时间 $t_{st\_actual}$
• 核对 实测值与铭牌计算值的偏差（应在 ±10% 以内）

运行电流测量：

• 等待 空压机达到额定压力并稳定运行 5 分钟
• 记录 加载状态下的电流 $I_{load}$（压力下降，电机加载）
• 记录 卸载状态下的电流 $I_{unload}$（压力达到上限，电机空转）
• 计算 平均运行电流作为整定参考

三、热磁脱扣器的整定计算

应急空压机供电回路通常采用塑壳断路器（MCCB）或微型断路器（MCB）作为短路和过载保护，其核心为热磁式脱扣单元——热元件（双金属片）实现长延时过载保护，磁元件（电磁脱扣器）实现瞬时短路保护。

3.1 长延时过载保护整定（Ir）

整定目标：正常运行时不误动，过载时及时切断。

整定电流计算：

$$I_r = (1.05 \sim 1.15) \times I_N$$

系数选择依据：

执行整定：

• 找到 断路器上的长延时调节旋钮（通常标为 Ir 或 I1）
• 旋转 至计算值对应的档位（如 $I_N = 30.2\text{A}$，选 1.10 系数，则 $I_r = 33\text{A}$，调至 32A 或 35A 最接近档位）
• 确认 该值 小于 供电电缆的长期允许载流量 $I_{cable}$

3.2 瞬时短路保护整定（Ii 或 Im）

整定目标：躲过启动电流峰值，但可靠切除短路故障。

关键矛盾：启动电流 $I_{st}$ 可能达到 $6 \sim 7$ 倍 $I_N$，而短路电流需快速切除。热磁脱扣器的瞬时脱扣通常为固定值或窄范围可调，必须 确保启动电流不落入瞬时脱扣区。

整定电流计算：

$$I_i \geq K_{margin} \times I_{st} = K_{margin} \times K_{st} \times I_N$$

可靠系数 $K_{margin}$ 的选取：

校验计算（以固定 10In 脱扣器为例）：

$$\frac{I_{i\_min}}{I_{st}} = \frac{10 \times I_N}{K_{st} \times I_N} = \frac{10}{K_{st}}$$

当 $K_{st} = 6$ 时，比值为 1.67，裕量充足；当 $K_{st} = 7.5$ 时，比值仅为 1.33，裕量紧张，建议 换用电子式脱扣器或启动方式。

3.3 电子式脱扣器的短延时整定（Isd）

若采用带 S（Short-time）功能的电子脱扣器，可更精细地区分启动电流与短路电流：

整定策略：

关键执行：确保 $I_{sd} < I_{st}$ 不成立，即 $I_{sd}$ 必须 小于 启动电流峰值，通过 时间延时 躲过启动过程。

时间配合验证：

$$t_{sd} > t_{st} + \Delta t$$

其中 $\Delta t = 0.1 \sim 0.2\text{s}$ 为时间级差。

四、整定值的现场验证程序

4.1 脱扣曲线比对法

获取 断路器制造商提供的脱扣特性曲线（时间-电流曲线），执行 以下验证：

1. 建立 坐标系：横轴为电流（对数刻度，单位 $I_N$ 倍数），纵轴为动作时间（对数刻度，单位秒）
2. 标绘 三个关键点：
   • 点 A：$(I_r, \infty)$ —— 长延时整定点，理论上永不动作
   • 点 B：$(I_{st}, t_{st})$ —— 启动电流-时间坐标
   • 点 C：$(I_{sd}, t_{sd})$ 或 $(I_i, 0.02\text{s})$ —— 短延时或瞬时点
3. 判定 点 B 必须 位于 脱扣曲线 下方（不动作区），且与曲线保持足够距离

4.2 实际启动试验

准备工作：

• 确认 应急空压机系统处于可启动状态（气瓶压力低于启动压力）
• 设置 电流记录仪或高速数据记录仪（采样率 ≥ 100Hz）
• 安排 人员在断路器旁监视，准备手动应急合闸

试验步骤：

1. 执行 正常启动操作
2. 记录 全过程电流波形，标注 启动峰值、启动持续时间、转入运行时刻
3. 观察 断路器状态，确认 无脱扣动作
4. 重复 试验 3 次，验证 一致性

故障排查 若启动中脱扣：

• 检查 脱扣指示：热脱扣（过载）或磁脱扣（短路）
• 比对 实际启动时间 $t_{st\_actual}$ 与设定延时 $t_{sd}$
• 测量 实际电压：电压过低会导致 $I_{st}$ 增大、$t_{st}$ 延长

4.3 模拟过载试验

目的：验证长延时保护的有效性。

执行：

• 采用 逐步加载法或降低卸载压力设定值，使空压机持续加载运行
• 监测 电流升至 1.2 $I_N$、1.5 $I_N$ 等档位
• 记录 各档位下的实际动作时间
• 比对 制造商提供的脱扣时间（典型：1.5 $I_N$ 时 60~120s 动作）

五、常见整定失误与修正

5.1 典型错误模式

5.2 应急场景的特殊考量

电压跌落的影响：

应急发电机在突加较大负荷时，端电压可能瞬时跌落 15%~20%。根据电动机转矩-电压平方关系：

$$T_{st} \propto U^2 \quad \Rightarrow \quad \text{电压跌落 20%，启动转矩降至 64%}$$

这导致：

• 启动时间 $t_{st}$ 延长 30%~100%
• 启动电流 $I_{st}$ 峰值 维持 但 持续时间增加
• 电机发热 显著增加

整定修正：

• 将 短延时时间 $t_{sd}$ 增加 50% 余量
• 或 采用 电压相关延时 功能的电子脱扣器（如 Siemens 3VA/3VM 系列的 $R$ 功能）

5.3 多台应急空压机并联时的级差配合

若应急配电板向两台及以上应急空压机供电，需 确保 仅故障回路切除：

执行整定：

• 总进线断路器：$I_{sd\_main} = 1.3 \times \sum I_{st}$，$t_{sd\_main} = 0.4\text{s}$
• 分路断路器：$I_{sd\_branch} = 1.2 \times I_{st}$，$t_{sd\_branch} = 0.2\text{s}$

时间级差：$\Delta t \geq 0.15\text{s}$，确保 选择性。

六、整定记录与维护管理

6.1 整定值标牌制作

制作 耐久材质标牌，固定 于断路器旁，内容包含：

应急空压机供电回路保护整定值
--------------------------------
电动机额定电流 I_N: ___ A
启动电流倍数 K_st: ___
启动电流 I_st: ___ A
启动时间 t_st: ___ s
--------------------------------
长延时整定 I_r: ___ A (___ 倍 I_N)
短延时整定 I_sd: ___ A (___ 倍 I_N)
短延时时间 t_sd: ___ s
瞬时整定 I_i: ___ A (___ 倍 I_N)
--------------------------------
整定日期: ________
执行人员: ________
复核人员: ________

6.2 定期校验周期

七、快速整定速查表

针对最常见的应急空压机配置，提供可直接套用的整定参数：

使用说明：上表基于 $\cos\varphi=0.85$、$\eta=0.88$、$K_{st}=6$、环境温度 40°C 计算，实际应用时需根据铭牌数据复核。

应急空压机供电回路的过载保护整定，核心在于 用时间维度区分电气量的不同性质——启动电流的短时冲击通过延时躲过，运行电流的长期效应通过反时限特性保护，短路故障的快速切除通过瞬时或短延时实现。严格执行本文的获取参数、计算整定、验证试验三步流程，可确保应急空压机在关键时刻可靠启动、安全运行。