船舶高壓電站短路故障保護(hù)算法研究

程真啟

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船舶高壓電站短路故障保護(hù)算法研究

程真啟

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010）

對船舶高壓電站中的短路故障進(jìn)行了分析，提出了基于相敏保護(hù)的對稱性短路保護(hù)和基于負(fù)序電流的不對稱性短路保護(hù)方法，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，這兩種故障保護(hù)算法具有較高的可靠性和實(shí)時性，能夠滿足船舶高壓電站短路故障保護(hù)的要求。

船舶高壓電站 短路故障 保護(hù)算法

0 引言

高壓電站在現(xiàn)代船舶上的應(yīng)用已取得較好的效果，已成為某些特種船舶的首選[1]，是船舶電站的一個主要發(fā)展方向。短路故障是船舶電站故障中比較常見的一種故障，能直接影響船舶供電的安全性、可靠性和連續(xù)性。因此本文對短路故障的保護(hù)算法進(jìn)行討論，分析其不足之處，然后針對其缺陷，提出基于相敏保護(hù)的對稱性短路保護(hù)和基于負(fù)序電流的不對稱性短路保護(hù)。

1 短路故障分析

目前我國船舶高壓電站大多采用小電流接地系統(tǒng)[2]，所以對于船舶高壓電站來說，短路故障主要有兩相間、兩相對地及三相短路。對于船舶高壓電站短路故障，我們采用對稱分量法進(jìn)行分析。對稱分量法是將一組不對稱的三相電壓相量或三相電流相量分解成三組同頻率的對稱電壓相量或?qū)ΨQ電流相量，即正序分量、負(fù)序分量和零序分量。對稱分量如圖1所示。

圖1 正序、負(fù)序、零序電流的對稱分量圖

圖中，A+、B+、C+幅值相等，相位順時針方向互差120°，稱為正序分量；A-、B-、C-幅值相等，相位逆時針方向互差為120°，稱為負(fù)序分量；A0、B0、C0幅值相等，方向相同，稱之為零序分量。若以A相電流為基準(zhǔn)相，對稱分量的表達(dá)式為：

1.1單相接地短路

單相接地短路故障是短路故障中最常見的故障形式之一[4]。此時，系統(tǒng)線電壓仍然對稱，但是設(shè)備的絕緣電壓變?yōu)檎＿\(yùn)行時的倍。假定A相接地短路，則其相電壓為0，由對稱分量法可得：

因此可以看出，單相接地短路有以下特點(diǎn)：短路故障相中的各序電流大小相等，方向相同，而兩個非故障相中的電流均等于零；短路點(diǎn)故障相的電壓等于零，而非故障相電壓幅值相等。

1.2兩相短路

兩相短路也是一種常見故障，以B、C兩相發(fā)生短路故障為例，此時，，，。由式（1）可得：

因此，可知兩相短路的具有如下特點(diǎn)：短路電流和電壓中不存在零序分量，短路點(diǎn)正序電流和負(fù)序電流幅值相等，相位相反；兩故障相中短路電流的絕對值總是大小相等，方向相反，數(shù)值上為正序電流的倍；短路處兩故障相電壓總是大小相等，數(shù)值上為非故障相電壓的一半，兩故障相電壓相位總是相同，但與非故障相電壓方向相反。

1.3兩相接地短路

兩相接地短路雖然不常見，但也偶有發(fā)生。以B、C兩相發(fā)生接地短路為例，此時，，。

將上式取絕對值，可得短路相故障電流為：

由此可得兩相接地短路的特點(diǎn)為：兩短路相電流幅值總相等，短路電流遠(yuǎn)大于正常電流；短路點(diǎn)故障相電壓等于零。

1.4三相短路

三相短路是一種常見故障，發(fā)生三相短路時，只存在正序電流，不存在負(fù)序電流和零序電流。流過各短路相的電流大小相等，且與自身電壓相角差相等。短路電流為：

所以三相短路的特點(diǎn)為：三相短路電壓均為0；短路電流幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常電流。

2 短路保護(hù)原理及算法

由對稱性分量法可知，在三相短路時，由于電路是對稱的，短路電流周期分量也是對稱的，只需分析其中一相就可以了。但是，在系統(tǒng)發(fā)生不對稱性故障時，電路的對稱性將受到破壞，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了三相不對稱電壓和電流，因此，可以利用這種不對性電壓和電流來判斷不對稱性故障[5]。

2.1對稱性短路保護(hù)

在船舶高壓電站中，一般三相對稱性短路故障是依據(jù)電流幅值來整定的：將短路保護(hù)電流設(shè)定為躲過最大容量電動機(jī)起動電流及其它同時運(yùn)行設(shè)備的額定電流之和。這種保護(hù)的動作特性如圖2所示。圖2中，曲線1是大型電動機(jī)起動時的起動特性，曲線2和3分別為三相短路不同整定值下的保護(hù)特性，a、a’、b、b’、c、c’分別為對應(yīng)曲線的反時限、定時限和速斷保護(hù)曲線。由圖可見，只要電流超過其整定電流，保護(hù)便立即動作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)跳閘。但是電機(jī)在啟動時電流很大，與線路發(fā)生的短路電流相接近，因而使短路電流值的整定十分困難，有的保護(hù)裝置將短路電流的整定值設(shè)定為電動機(jī)額定電流的10倍以躲開啟動電流，這樣當(dāng)啟動電流較大時，不能分辨出是發(fā)生三相短路還是電動機(jī)正常啟動，容易發(fā)生誤動作。也有些保護(hù)裝置利用延時幾秒鐘的方法，以躲開正常啟動過程，但當(dāng)啟動過程正好發(fā)生短路時，也無法對故障線路做出保護(hù)。

圖2 過流保護(hù)特性和大電流啟動特性

船舶中使用的電動機(jī)大多是鼠籠式異步電動機(jī)，啟動時電流很大，但是功率因數(shù)卻很低，而當(dāng)三相短路時，功率因數(shù)卻很高。因此，如果采用通過判斷電流加功率因數(shù)的方法，就可以有效地避免單純依靠電流幅值整定所帶來的缺陷。我們把這種保護(hù)稱之為相敏保護(hù)，相敏保護(hù)可以使三相短路保護(hù)的可靠性得到大大提高。

2.2不對稱性短路保護(hù)

相敏保護(hù)對于兩相短路、單相接地等不對稱性故障不具有保護(hù)特性。由上面的對稱分量變換過程可知，當(dāng)發(fā)生不對稱性故障時，線路中將存在負(fù)序電流，因此可以利用兩相短路和單相斷相時負(fù)序電流的大小來判斷不對稱性故障。下面將不對稱性短路保護(hù)的算法分析如下：三相電流之間滿足關(guān)系：

把上式代入式（1）可得：

由上式可見，把A相電流向前移30°、C相電流向前移90°，再把兩個相量相加就可以得到負(fù)序電流[6]。設(shè)在一個采樣周期采樣次，將A相電流前移30°相當(dāng)于在時間軸取后30°的瞬時值，即第N/12采樣點(diǎn)的瞬時值作為當(dāng)前值；同理C相電流前移90°，相當(dāng)于在時間軸取90°后的瞬時值，即第N/4采樣點(diǎn)后的瞬時值為當(dāng)前值，即可得離散化的負(fù)序電流瞬時值：

式中，=(0, 1, …,-1)，_()為負(fù)序電流的離散采樣值，是一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)。

而我們所要求的負(fù)序電流瞬時采樣值_()是由兩個周期相同的正弦量的瞬時采樣值相加所得，因而所得的結(jié)果仍為同一周期的正弦量，則根據(jù)上式可得：

3 短路故障保護(hù)算法的仿真分析

為了驗(yàn)證短路故障保護(hù)算法的正確性和靈活性，需要模擬船舶電站的動態(tài)變化過程，對算法進(jìn)行仿真。下面利用Matlab為電力系統(tǒng)仿真提供的SimPowerSystems模塊對電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1故障保護(hù)算法的S-函數(shù)實(shí)現(xiàn)

故障保護(hù)算法采用普通的Simulink模塊不容易搭建，對此使用Simulink支持的S-函數(shù)格式，S-函數(shù)可以采用Matlab、C/C++、Fortan等語言編寫。但由于實(shí)時仿真過程中需要將Simulink模塊轉(zhuǎn)化成C代碼并生成獨(dú)立文件，因此，算法必須采用C/C++語言編寫的S-函數(shù)。由于采用了三相序分量分析元件對正序、負(fù)序和零序分量中的電壓、電流進(jìn)行采集，因此算法的C語言實(shí)現(xiàn)起來就比較簡單。通過將采集到的相序分量與故障保護(hù)設(shè)定值進(jìn)行對比，來控制三相斷路器的合/分閘，解除故障。

3.2短路保護(hù)算法仿真

短路故障仿真模型如圖3所示。使用理想三相電壓源作為供給電源，電源采用Y型接線類型，線電壓設(shè)為6000 V，A相初始相角設(shè)為0；使用分布式參數(shù)輸電線路作為傳輸電路，輸電線路Line1的長度為3 km，輸電線路Line2的長度為2 km；使用三相電路故障發(fā)生器進(jìn)行不同形式的短路；使用三相序分量分析元件采集故障保護(hù)中各序電流、電壓分量；使用選擇器對各相電壓、電流進(jìn)行有選擇的輸出；由Substem構(gòu)建的故障保護(hù)元件，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)算法，由此來控制三相斷路器的故障分閘。

圖3 短路保護(hù)仿真模型

3.2.1三相短路分析

1）故障點(diǎn)A相電壓、電流變化

用選擇器選取三相故障發(fā)生器所在的支路的電流和電壓，則故障點(diǎn)A相電流、電壓波形如圖4所示。由圖4可以得出如下結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)時，故障點(diǎn)A相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而電流為0，A相電壓實(shí)際是加在線路Line上的電壓，因此呈正弦規(guī)律變化。

在0.01 s時，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生三相短路故障，故障點(diǎn)A相電流發(fā)生明顯變化，由于閉合時有初始輸入量和初始狀態(tài)量，因而故障點(diǎn)A相電流波形下移，而A相電壓由于接地變?yōu)?。在0.04 s時，保護(hù)元件動作，使三相電路短路故障發(fā)生器斷開，相當(dāng)于排除故障，此時故障點(diǎn)A相電流迅速變?yōu)?，而A相電壓要恢復(fù)到線路Line上的電壓，因此存在一段時間的暫態(tài)波動。

圖4 故障點(diǎn)短路電流、電壓波形

圖5 支路Line的電流波形

2）支路Line的電流變化

支路Line電流變化如圖5所示。由圖可以看出，在故障瞬間，支路Line電流受故障點(diǎn)電流影響，發(fā)生了明顯變化，電流的劇烈增大給支路Line相設(shè)備帶來了極大的沖擊。

3.2.2兩相短路分析

在三相電路短路故障發(fā)生器參數(shù)中選擇A相故障和B相故障，即發(fā)生A、B相短路接地故障。激活仿真按鈕，進(jìn)行電路仿真。

1）故障點(diǎn)A相電流序分量波形圖

使用三相序分量分析元件中分別選中故障點(diǎn)A相電流正序、負(fù)序和零序分量作為測量值，進(jìn)行仿真，則A相電流正序、負(fù)序和零序分量波形如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 故障點(diǎn)A相電流正序分量波形

圖7 故障點(diǎn)A相電流負(fù)序分量波形

由圖可知：穩(wěn)態(tài)時，故障點(diǎn)A相電流正序分量由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而幅值為0，相角為0。在0.01 s時，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生A、B相短路，故障點(diǎn)A相正序、負(fù)序和零序電流發(fā)生變化，正序電流幅值迅速上升，相角先上升后下降；負(fù)序電流幅值迅速上升，相角突變大約360°后，下降至大約-30°時穩(wěn)定；零序電流幅值緩慢上升，相角經(jīng)過突變后，緩慢波動上升。在0.04 s時，故障保護(hù)元件動作，使三相電路短路故障發(fā)生器打開，相當(dāng)于排除故障，此時故障點(diǎn)A相電流正序分量的幅值下降，至0.06 s時幅值下降為65 A，相角上升，至0.06 s時恢復(fù)至故障前的數(shù)值；0.04 s故障點(diǎn)A相電流負(fù)序分量幅值下降，至0.06 s時幅值為0，相角繼續(xù)下降，至0.06 s時降為大約-90°，然后波動穩(wěn)定到0；在0.04 s時，故障點(diǎn)A相電流零序分量幅值緩慢波動下降，在0.06 s時發(fā)生突變，然后穩(wěn)定在0，0.04 s時相角繼續(xù)緩慢波動上升，在0.06 s經(jīng)過突變后穩(wěn)定至110。需要注意的是：A相電流零序分量幅值很小，幾乎很難測出來。

2）支路Line的電流波形圖

選擇支路Line的A、B、C相電流作為測量電氣量進(jìn)行仿真，則A、B、C相電流如圖9所示。由圖9可以得出如下結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)時，支路Line的A、B、C相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而電流成正弦規(guī)律變化。在0.01 s時，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生A、B兩相短路接地，故障點(diǎn)A、B、C相電流發(fā)生變化，由于有初始輸入量和初始狀態(tài)量，因而故障點(diǎn)A相電流迅速下移，故障點(diǎn)B相電流上移，C相電流由于沒有發(fā)生故障而未發(fā)生變化。在0.04 s時，故障保護(hù)元件起作用，三相短路故障發(fā)生器打開，相當(dāng)于排除故障，此時A、B、C相電流迅速回復(fù)到故障前的狀態(tài)。

通過上面對短路故障的仿真分析，可以看出，采用相敏保護(hù)和負(fù)序保護(hù)原理對短路故障進(jìn)行分析，可以有效地避免短路事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語

本文針對船舶高壓電站短路故障，結(jié)合對稱分量法，分析了兩相短路、兩相接地短路和三相短路中各序分量的幅值和相位關(guān)系。提出了采用具有較寬選擇余地的相敏保護(hù)原理對三相對稱性短路進(jìn)行保護(hù)，設(shè)計(jì)了基于負(fù)序電流的不對稱性短路保護(hù)算法。為了驗(yàn)證算法的有效性，采用Matlab對算法進(jìn)行了仿真，建立了故障保護(hù)仿真模型，給出了故障保護(hù)特性曲線，并對其進(jìn)行了分析。通過分析表明，本文所提到的故障保護(hù)算法具有較高的可靠性和實(shí)時性，能夠滿足船舶高壓電站短路故障保護(hù)的要求。

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Short-Circuit Fault Protection Arithmetic of Marine High Voltage Power Station

Cheng Zhenqi

(Marine Engineering Department of Nantong Shipping College, Nantong 226010, Jiangsu, Chia)

U665

A

1003-4862（2016）10-0049-06

2016-04-12

程真啟（1976-），男，講師/電機(jī)員。研究方向：船舶電氣設(shè)備及自動化。