船舶環(huán)形配電網(wǎng)電流保護(hù)加速動(dòng)作方法研究

張芳，畢大強(qiáng)，曾祥君，曾憲敏

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船舶環(huán)形配電網(wǎng)電流保護(hù)加速動(dòng)作方法研究

張芳1，畢大強(qiáng)2，曾祥君1，曾憲敏1

（1. 智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙理工大學(xué)，長沙 410076；2. 電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)電機(jī)系，北京 100084）

在無通道保護(hù)方法的基礎(chǔ)上，提出了一種適應(yīng)于船舶環(huán)形配電網(wǎng)的電流保護(hù)加速動(dòng)作的方法。該方法利用故障發(fā)生和線路一側(cè)斷路器跳閘引起的另一側(cè)支路電流變化，和該變化所具有的時(shí)間特性來判斷故障區(qū)間，來實(shí)現(xiàn)故障線路兩端保護(hù)的相繼速動(dòng)。實(shí)例仿真分析驗(yàn)證了該方法的可行性。

船舶 環(huán)形配電網(wǎng) 加速動(dòng)作

0 引言

隨著船舶容量的增大，自動(dòng)化水平的提高，供電連續(xù)性成為衡量船舶電力系統(tǒng)生命力的重要指標(biāo)之一[1]。由于環(huán)形配電網(wǎng)中的設(shè)備從線路的兩個(gè)方向獲得電源，具有較高的供電連續(xù)性，從而在船舶電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)其保護(hù)研究一直處于起步階段。

傳統(tǒng)的時(shí)限配合保護(hù)對(duì)電源附近的故障切除時(shí)間長，難以滿足電力系統(tǒng)的需要，所以提高配電網(wǎng)中繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作速度成為解決電網(wǎng)可靠性的有效路徑之一。文獻(xiàn)[2-3]采用電流差動(dòng)保護(hù)，能快速切除復(fù)雜供電網(wǎng)絡(luò)中輸電線路和母線短路的故障問題，但差動(dòng)保護(hù)對(duì)通信系統(tǒng)有很高的要求，故成本較高。文獻(xiàn)[4]采用無通道保護(hù)技術(shù)，操作簡(jiǎn)單，對(duì)故障判別精確，但不能切除三相對(duì)稱故障。文獻(xiàn)[5]的無通道保護(hù)中，雖然能夠切除對(duì)稱故障，但對(duì)于母線上不掛負(fù)荷的輸電線路，保護(hù)裝置難以判斷故障區(qū)域，具有很大的局限性。文獻(xiàn)[6]為在無分支配電線路無通道保護(hù)的基礎(chǔ)上提出的有分支配電線路無通道保護(hù)，能夠加速有分支線路的線路故障的保護(hù)動(dòng)作，但只適用于雙電源配電系統(tǒng)的線路保護(hù)。

論文在上述無通道保護(hù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)船舶環(huán)形配電網(wǎng)，提出了一組新的加速動(dòng)作的判據(jù)方法，它利用故障線路一端斷路器動(dòng)作引起的另一端線路電流突變，和此突變出現(xiàn)的時(shí)間來判別故障區(qū)域，以此來實(shí)現(xiàn)保護(hù)的相繼速動(dòng)。通過simulink仿真驗(yàn)證了該方法的正確性與有效性。

1 基本思想與動(dòng)作判據(jù)

加速動(dòng)作的基本思想：當(dāng)船舶環(huán)形配電網(wǎng)線路故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的過電流方向保護(hù)根據(jù)時(shí)限特性動(dòng)作，使流過另一側(cè)的短路電流迅速增加。因?yàn)橄嗤较騻?cè)不同位置的過電流方向保護(hù)的跳閘時(shí)間不同，造成另一側(cè)同方向保護(hù)安裝處檢測(cè)到該突變量的時(shí)間不同。因此，另一側(cè)方向繼電器通過故障電流突變量的時(shí)間來判斷故障區(qū)域。若為區(qū)內(nèi)故障，則加速另一側(cè)方向保護(hù)動(dòng)作；反之，則不加速。

保護(hù)流程圖如圖1所示。

圖1 保護(hù)流程圖

加速動(dòng)作判據(jù)如下所示：

1）啟動(dòng)判據(jù)：用于判斷短路故障是否存在。

當(dāng)線路電流大于一個(gè)整定值set時(shí)，說明故障存在，加速繼電器準(zhǔn)備啟動(dòng)。

2）比值判據(jù)：用于判斷對(duì)端斷路器狀態(tài)。

SME評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)要求評(píng)估過程中遵循的基本原則是勝任能力、重要性、客觀性、公開透明和獨(dú)立性，其中獨(dú)立性原則在某些評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中是不要求的，但通常情況下，鑒于礦產(chǎn)資源資產(chǎn)評(píng)估要求評(píng)估師具有完全獨(dú)立性，因此SME評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了獨(dú)立性原則。

其中，為采樣時(shí)刻，為周期數(shù)；I，(k-n)分別表示相隔個(gè)周期的電流采樣值。上式理解為：正常運(yùn)行時(shí)，比值判據(jù)的值為1；若超過一定的閥值，則判斷對(duì)端保護(hù)動(dòng)作。本文取=3，考慮到可靠性，的閥值選擇為1.1。

3）時(shí)間判據(jù)：用于判斷故障區(qū)域。

故障和操作都會(huì)使流過加速保護(hù)的電流發(fā)生變化，為了提高保護(hù)的可靠性，應(yīng)對(duì)加速保護(hù)設(shè)置一個(gè)加速時(shí)段。所謂加速時(shí)段是指只有在特定時(shí)間段內(nèi)滿足上述兩個(gè)判據(jù)，無通道保護(hù)才可以被加速。否則，不能加速。

加速時(shí)段的設(shè)定原則是：加速斷路器動(dòng)作應(yīng)該伴隨著另一端傳統(tǒng)斷路器的動(dòng)作，這樣，加速時(shí)段的起點(diǎn)時(shí)刻是對(duì)端保護(hù)動(dòng)作時(shí)間?？紤]斷路器分?jǐn)嗪拖ɑr(shí)間(10~60 ms)、加速保護(hù)本身的計(jì)算與判斷時(shí)間(約20 ms)以及裕度(20 ms)，該加速時(shí)段可以選擇為100 ms左右[6]。

2　實(shí)例分析

通過結(jié)合具體的船舶環(huán)形配電網(wǎng)，進(jìn)一步說明保護(hù)原理和判據(jù)的作用。圖2為船舶電力系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，包括兩臺(tái)船舶電站、兩臺(tái)主推電機(jī)、若干負(fù)載、方向過流保護(hù)R1~R12和電纜。為保證重要負(fù)荷的供電連續(xù)性，電機(jī)均連接于主配電板上。其中，電纜長度分別為1=2=3=4=5=6=0.05 km。

圖2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

加速保護(hù)時(shí)段的整定值，是和線路對(duì)端繼電器過電流保護(hù)的時(shí)間整定值相對(duì)應(yīng)，本例中整定為其后的100 ms內(nèi)。如繼電器R1和R12處無通道保護(hù)加速時(shí)段的整定范圍是0.1 s～0.2 s；繼電器R2和R11處無通道保護(hù)加速時(shí)段的整定范圍是0.5 s～0.6 s；繼電器R3和R10處無通道保護(hù)加速時(shí)段的整定范圍是0.9 s～1.0 s。

表1 保護(hù)配置和時(shí)間整定

例如，當(dāng)線路L2上發(fā)生短路故障時(shí)(設(shè)故障點(diǎn)為f2)，根據(jù)方向性原則，保護(hù)R1、R2、R8、R9、R10、R11、R12將檢測(cè)出故障信號(hào)。按照過電流保護(hù)時(shí)間整定原則，保護(hù)R8在0.5 s時(shí)最先跳閘，則故障與線路L3～L6隔離。R8跳開后，R1和R2在0.5 s～0.6 s內(nèi)檢測(cè)到比值判據(jù)大于定值。對(duì)R2而言為區(qū)內(nèi)故障，從而R2在0.6 s左右加速跳閘，實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作的快速性。因此，通過線路電流突變量的時(shí)間來區(qū)分故障區(qū)域，實(shí)現(xiàn)相繼速動(dòng)的方法大大縮短了切除故障的時(shí)間。

特別的，當(dāng)故障發(fā)生在分配電板上或者無通道故障失效時(shí)，無通道過流保護(hù)裝置也會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的過電流保護(hù)，其動(dòng)作時(shí)間特性見表１。

3 仿真分析

通過對(duì)圖2環(huán)網(wǎng)進(jìn)行仿真，分析比較點(diǎn)f1、f2和f3故障時(shí)，保護(hù)R1、R2和R3的響應(yīng)情況。其中，設(shè)短路點(diǎn)f1、f2和f3分別為L1、L2和L3的中點(diǎn)。

3.1 線路L3發(fā)生A相短路故障

線路L3在0s時(shí)發(fā)生A相短路故障，保護(hù)R1、R2、R3、R9、R10、R11和R12檢測(cè)到故障信號(hào)，根據(jù)過電流保護(hù)時(shí)限特性，R9在0.9 s時(shí)最先跳閘，線路L4、L5和L6與故障隔離，R10、R11和R12將恢復(fù)至初始狀態(tài)。圖3為加速保護(hù)R1~R3的響應(yīng)情況。

從圖3可知，單相短路故障后，故障相電流迅速增大，滿足啟動(dòng)判據(jù)。當(dāng)R9跳閘后，流過R1~R3的故障相短路電流發(fā)生突變，在0.9~1.0 s內(nèi)檢測(cè)到比值判據(jù)大于閥值。

仿真結(jié)果表明保護(hù)R3在其加速時(shí)段內(nèi)檢測(cè)到比值判據(jù)大于閥值，同時(shí)啟動(dòng)判據(jù)大于整定值，認(rèn)定故障為區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)R3加速動(dòng)作，在1.0 s左右隔離故障線路，比傳統(tǒng)過電流保護(hù)快0.3 s；而保護(hù)R和R2在其對(duì)應(yīng)的保護(hù)加速時(shí)段內(nèi)比值判據(jù)為1，因而認(rèn)定故障是區(qū)外故障，保護(hù)不動(dòng)作。

圖3　線路L3發(fā)生A相短路A相仿真結(jié)果圖

3. 2 線路L2發(fā)生AB兩相短路故障

線路L2在0s時(shí)發(fā)生AB兩相短路故障，保護(hù)R1、R2、R8、R9、R10、R11和R12檢測(cè)到故障信號(hào)，根據(jù)過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限特性，R8在0.5 s時(shí)最先跳閘，線路L3、L4、L5和L6與故障隔離，R9、R10、R11和R12將恢復(fù)至初始狀態(tài)。圖4為加速保護(hù)R1和R2的響應(yīng)特點(diǎn)。

由于AB兩相波形一致，故此處只列舉了A相響應(yīng)波形圖。從圖4可知，AB兩相短路故障后，流過各加速保護(hù)的電流迅速增大，滿足啟動(dòng)判據(jù)式1)。當(dāng)R8跳閘后，流過R1和R2的短路電流迅速增大，在0.5~0.6 s的一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到比值判據(jù)大于閥值。

圖4線路L2發(fā)生AB兩相短路A相仿真結(jié)果圖

仿真結(jié)果顯示繼電器R2在保護(hù)加速時(shí)段0.5 ～0.6 s內(nèi)檢測(cè)到比值判據(jù)大于定值，同時(shí)啟動(dòng)判據(jù)大于定值，因而認(rèn)定故障是區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)R2加速動(dòng)作，在0.6 s左右隔離故障線路，比傳統(tǒng)過電流保護(hù)快1.1 s；而繼電器R1處仿真情況顯示，在其保護(hù)加速時(shí)段的整定范圍內(nèi)，比值判據(jù)小于1，因而認(rèn)定故障是區(qū)外故障，保護(hù)R1不動(dòng)作。R8跳閘后使R3與故障區(qū)域隔離，因此R3恢復(fù)至初始狀態(tài)。

3.3 線路L1發(fā)生ABC三相對(duì)稱短路故障

線路L1在0 s時(shí)發(fā)生短路故障，保護(hù)R1、R7、R8、R9、R10、R11和R12檢測(cè)到故障信號(hào)，根據(jù)過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限特性，R7在0.1 s時(shí)最先跳閘，線路L2、L3、L4、L5和L6與故障隔離，R8、R9、R10、R11和R12將恢復(fù)至初始狀態(tài)。圖5為加速保護(hù)R1的響應(yīng)特點(diǎn)。

由于ABC三相波形一致，故此處只列舉了A相響應(yīng)波形圖。從圖5可知，短路故障后，流過加速保護(hù)的電流迅速增大，滿足啟動(dòng)判據(jù)式1)。當(dāng)R7跳閘后，流過R1的短路電流迅速增大，在0.1～0.2 s內(nèi)檢測(cè)到一定大小的比值判據(jù)。

仿真結(jié)果表明繼電器R1在其保護(hù)加速時(shí)段內(nèi)檢測(cè)到比值判據(jù)大于定值，同時(shí)啟動(dòng)判據(jù)大于定值，因而認(rèn)定故障是區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)R1加速動(dòng)作，在0.2 s左右隔離故障線路，比傳統(tǒng)過電流保護(hù)快1.9 s；而R7跳閘后使R2和R3與故障區(qū)域隔離，因此R2和R3恢復(fù)至初始狀態(tài)。

圖5 線路L1發(fā)生ABC故障時(shí)R1的A相響應(yīng)波形圖(區(qū)內(nèi)故障)

4 結(jié)論

本文在無通道保護(hù)的基礎(chǔ)上提出了一種電流保護(hù)加速動(dòng)作的新方法。該方法原理簡(jiǎn)單，無需專門的通信通道，且不受線路上負(fù)荷大小的影響。只需利用一端斷路器跳閘后引起另一側(cè)支路短路電流的變化量和保護(hù)的加速時(shí)段，來決定斷路器是否加速動(dòng)作。仿真表明，該方法能有效提高線路保護(hù)的動(dòng)作速度，特別是對(duì)于電站附近的故障，保證了重要負(fù)載的供電連續(xù)性。

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Research on Accelerated Action Method of Current Protection for Shipboard Loop Power Distribution Systems

Zhang Fang1, Bi Daqiang2, Zeng Xiangjun1, Zeng Xianmin1

（1. China School of Electrical & Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China; 2. State Key Lab of Power System, Dept of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijng 100084, China)

TM773 U66

A

1003-4862（2014）08-0005-04

2014-01-06

張芳（1988-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)保護(hù)與控制。