中壓船舶電網(wǎng)單相接地故障分析與仿真

張 凡，莊 偉

中壓船舶電網(wǎng)單相接地故障分析與仿真

張 凡1，莊 偉2

（1. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，武漢430000；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108）

單相接地故障是中壓船舶電力系統(tǒng)中的頻發(fā)故障，容易發(fā)展成嚴(yán)重的短路故障而威脅系統(tǒng)運(yùn)行安全。為充分了解該類故障，結(jié)合實(shí)際中壓船電系統(tǒng)給出了零序等效網(wǎng)絡(luò)，分析了系統(tǒng)中出現(xiàn)單相接地故障時(shí)零序電流的分布情況，并以表達(dá)式和矢量圖的形式闡明了故障線路與非故障線路上零序電流的幅值與相位特征。在MATLAB中建立動(dòng)態(tài)仿真模型驗(yàn)證了分析和結(jié)論，為單相接地故障的繼電保護(hù)提供了參考。

中壓船舶電網(wǎng) 單相接地故障 零序電流 繼電保護(hù)

0 引言

隨著船舶電力系統(tǒng)規(guī)模和容量的日趨增大，中壓配電系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在中壓船用電力系統(tǒng)中，電纜數(shù)量多，總長(zhǎng)度長(zhǎng)，等效對(duì)地電容顯著大于低壓船舶電力系統(tǒng)，單相接地故障的危害已經(jīng)不能忽視。單相接地故障作為一種頻發(fā)故障，可占故障總量的60%以上。該故障雖然不影響系統(tǒng)的三相對(duì)稱運(yùn)行，但是會(huì)造成非接地相對(duì)地電壓升高，長(zhǎng)期帶故障運(yùn)行將影響電纜的絕緣水平，造成電纜的加速老化；還可能引起接地點(diǎn)（間斷性）電弧，導(dǎo)致故障嚴(yán)重化，進(jìn)而發(fā)展為兩相、三相（短路）接地故障。嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的供電安全與可靠性，給設(shè)備的安全和作業(yè)的效率帶來(lái)重大的影響[1]。一般情況下，通過(guò)設(shè)置合適的方向性零序過(guò)電流保護(hù)實(shí)現(xiàn)對(duì)此類故障的有效保護(hù)。因此，有必要研究中壓船用電力系統(tǒng)中的單相接地故障，對(duì)產(chǎn)生的零序電壓，電流的相位與幅值做量化分析，對(duì)零序保護(hù)的設(shè)定給出參考。

在接下來(lái)的章節(jié)中，本文將詳細(xì)介紹中壓船舶電網(wǎng)的零序等效模型，在此基礎(chǔ)上深入分析單相接地故障的機(jī)理，量化分析故障電流與電壓本質(zhì)，給出故障線路和非故障線路零序電流幅值與方向的一般規(guī)律表達(dá)式，并通過(guò)建立基于實(shí)際中壓船舶電網(wǎng)的仿真模型驗(yàn)證論述的正確性。

1 中壓船舶電力系統(tǒng)的零序等效模型

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范（2012）》相關(guān)內(nèi)容，中壓部分的拓?fù)涠酁槟概欧侄谓Y(jié)構(gòu)（兩段或多段，各段母排通過(guò)母聯(lián)斷路器聯(lián)接），每段母排上至少由一臺(tái)發(fā)電機(jī)供電，負(fù)載設(shè)備分開連接至不同的母排分段上[2]。發(fā)電機(jī)主要以中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地方式運(yùn)行[3,4]。負(fù)載一般為日用變壓器和推進(jìn)變頻器，后者往往通過(guò)移相變壓器與母排聯(lián)接。圖1所示即為實(shí)際船舶電網(wǎng)中壓部分單線圖。G1到G4為中壓發(fā)電機(jī)，1到4為對(duì)應(yīng)的中性點(diǎn)接地電阻。母排分為兩段Bus1和Bus2，各帶4個(gè)負(fù)載，包括日用電部分和三個(gè)變頻驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，分別通過(guò)日用變壓器和移相變壓器聯(lián)接到母排，實(shí)現(xiàn)對(duì)船上輔助系統(tǒng)、日用電負(fù)載和主推進(jìn)、作業(yè)負(fù)載的供電。

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，如圖2所示，故障點(diǎn)加入故障電動(dòng)勢(shì)[5]，該電動(dòng)勢(shì)的幅值與故障前一瞬間該點(diǎn)對(duì)地電壓一致，方向相反，經(jīng)過(guò)渡電阻f進(jìn)入系統(tǒng)，在故障點(diǎn)Fault和地之間形成系統(tǒng)零序電壓[6]。即系統(tǒng)中性點(diǎn)對(duì)地電壓，在過(guò)渡電阻f為0時(shí)有，隨著f增大幅值逐漸減小。一般情況下f數(shù)值較小，可以認(rèn)為。由于移相變壓器和日用變壓器的一次側(cè)往往采用三角形接法，沒有中性點(diǎn)，即無(wú)零序通路。低壓系統(tǒng)發(fā)生的單相接地故障不會(huì)反映到一次側(cè)所在的中壓部分[7]。此外，考慮到發(fā)電機(jī)進(jìn)線電纜、各負(fù)載饋線電纜以及母線的零序阻抗遠(yuǎn)小于中性點(diǎn)接地電阻，忽略掉并不會(huì)影響到單相接地故障分析的結(jié)果。綜上，中壓船舶電網(wǎng)的零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，1至4為發(fā)電機(jī)G1至G4及其進(jìn)線斷路器聯(lián)接電纜的對(duì)地等效電容。5至12為兩段母線上各個(gè)負(fù)載饋線電纜的對(duì)地等效電容。在的作用下，系統(tǒng)通過(guò)線纜和設(shè)備的對(duì)地電容以及發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電阻對(duì)地以零序電流的形式放電。

圖1 船舶電網(wǎng)中壓部分單線圖

2 中壓船舶電網(wǎng)的單相接地故障分析

中壓船舶電網(wǎng)的綜合保護(hù)裝置根據(jù)來(lái)自零序傳感器的電壓、電流信號(hào)可實(shí)現(xiàn)單相接地故障的具體位置，實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。零序傳感器一般裝設(shè)在饋線線路的首端，即圖3中和的位置。下文中提到的饋線和發(fā)電機(jī)進(jìn)線流過(guò)的零序電流指的是線路首端測(cè)得零序電壓和電流，并規(guī)定從母線流向線路方向?yàn)檎较颉Ａ硗?，考慮到船用電纜易因絕緣老化或遭外力損傷導(dǎo)致出現(xiàn)單相接地，而母線在配電板中受到良好的保護(hù)而幾乎無(wú)這類問題，下文僅對(duì)發(fā)生在發(fā)電機(jī)進(jìn)線電纜和饋電電纜上的單相接地故障做分析?？紤]到具體分析針對(duì)圖2展開，圖3和圖4中僅繪出與分析有關(guān)的線路，省略部分可參考圖2所示。

2.1 饋線上的單相接地故障分析

假設(shè)8#饋線發(fā)生了單相接地故障，系統(tǒng)中零序電流的分布和流向如圖3所示。對(duì)于非故障饋線來(lái)說(shuō)，以7#線路為例，線路流過(guò)自身對(duì)地電容電流，方向?yàn)檎?。表達(dá)式如式（1）所示。

圖3 饋線故障零序電流分布

其他非故障饋線流過(guò)的零序電流有著相同的流向和表達(dá)式。

對(duì)于非故障發(fā)電機(jī)進(jìn)線來(lái)說(shuō)，以2#線路為例，流過(guò)的零序電流除了自身對(duì)地電容電流，還包含中性點(diǎn)電阻電流，方向同為由正。表達(dá)式如式（2）所示。

其他非故障發(fā)電機(jī)進(jìn)線流過(guò)的零序電流有著相同的流向和表達(dá)式。

2.2發(fā)電機(jī)進(jìn)線上的單相接地故障分析

當(dāng)單相接地故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)進(jìn)線上時(shí)，假設(shè)故障發(fā)生在2#進(jìn)線，系統(tǒng)中零序電流的流向與分布如圖4所示。對(duì)于非故障饋線來(lái)說(shuō)，以7#線路為例，線路首端流過(guò)自身對(duì)地電容電流，方向?yàn)檎?，表達(dá)式與式（1）相同。其他非故障饋線首端流過(guò)的零序電流方向、表達(dá)式均與7#線路相同。

對(duì)于非故障發(fā)電機(jī)進(jìn)線來(lái)說(shuō)，以3#線路為例，線路首端流過(guò)的零序電流與上一節(jié)中2#線路相同，均由自身對(duì)地電容電流和中性點(diǎn)接地電阻電流，由正。表達(dá)式也與式（2）相同。

對(duì)于故障Fault2所在的2#線路來(lái)說(shuō)，自身的對(duì)地電容電流和中性點(diǎn)接地電阻電流分別通過(guò)C2和R2流入大地。與上節(jié)中的分析相同，其線路首端流過(guò)的整個(gè)系統(tǒng)非故障線路零序電流的總和，方向?yàn)樨?fù)，可用式（4）表述。

2.3中壓船舶電網(wǎng)單相接地故障零序電流向量圖

根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)的分析可以給出系統(tǒng)中出現(xiàn)單相接地時(shí)，故障線路與非故障線路首端流過(guò)的零序電流向量圖，如圖5所示。其中為零序電壓，為便于表述，令為全部非故障發(fā)電機(jī)進(jìn)線首端流過(guò)的零序電流的矢量和，和分別為其有功和無(wú)功分量；為全部非故障饋線首端流過(guò)的零序電流的矢量和，為故障線路首端流過(guò)的零序電流，和分別為其有功和無(wú)功分量。

圖4 發(fā)電機(jī)進(jìn)線故障零序電流分布

圖5 單相接地故障零序向量圖

根據(jù)圖5結(jié)合式（1）~（4）有如下結(jié)論：當(dāng)船舶中壓電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)：

1）非故障饋線首端流過(guò)的零序電流為自身的對(duì)地電容電流，其相位超前零序電壓90°；非故障發(fā)電機(jī)進(jìn)線流過(guò)的零序電流為自身對(duì)地電容電流與中性點(diǎn)接地電阻電流的矢量和，其相位超前零序電壓，而滯后于非故障饋線的零序電流。

2）故障線路流過(guò)的零序電流在幅值上等于非故障線路零序電流的矢量和的幅值（即其有功分量為全系統(tǒng)非故障線路中性點(diǎn)接地電阻電流之和，無(wú)功分量為全系統(tǒng)非故障線路對(duì)地電容電流之和），方向上則與該矢量和相反。

3 單相接地故障的仿真與分析

為了驗(yàn)證第2節(jié)中的分析與結(jié)論，本節(jié)在Matlab環(huán)境中建立了中壓船舶電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型，對(duì)單相接地故障進(jìn)行仿真分析。單線圖如下圖所示：系統(tǒng)包含兩臺(tái)2 MW 6600 V中壓發(fā)電機(jī)和四個(gè)900 kVA的6600 V負(fù)載，系統(tǒng)的頻率為50 Hz。其中1#和2#為發(fā)電機(jī)進(jìn)線電纜，中性點(diǎn)接地電阻

圖6 中壓船舶電網(wǎng)仿真系統(tǒng)單線圖

1、2均為700 Ω，進(jìn)線電纜的對(duì)地等效電容1、2分別為0.12 μF和0.1 μF每相；3#、4#、5#和6#電纜為4條饋電電纜，對(duì)地等效電容分別為0.25 μF、0.30 μF、0.20 μF和0.15 μF每相。單相接地故障設(shè)定為A相直接接地，故障位置分別為3#饋線和1#發(fā)電機(jī)進(jìn)線。

3.1 3#饋線的單相接地故障仿真與分析

當(dāng)3#饋線發(fā)生單相接地故障時(shí)，各個(gè)饋線的零序電流波形如圖7所示?？梢钥闯?，作為故障線路的3#饋線的零序電流幅值最大；1#和2#進(jìn)線上的零序電流幅值較小，因?yàn)閷?duì)地等效電容非常接近以及中性點(diǎn)電阻相同，所以波形是非常接近的；4#、5#和6#饋線的零序電流幅值較小，因?yàn)閷?duì)地等效電容比較接近，其波形也是基本一致的。零序電壓和電流的幅值與相位如表1所示。其中零序電壓的單位為kV，零序電流的單位為A。零序電壓為3倍的相電壓。為了便于驗(yàn)證第2節(jié)中結(jié)論，表1中第三列修正相位為第二列相位減去89.4°后的結(jié)果。當(dāng)零序電壓為90°時(shí)，兩條發(fā)電機(jī)進(jìn)線電纜的零序電流稍微超前零序電壓，非故障饋線的零序電流超前零序電壓幾乎90°；只有故障饋線的零序電流滯后零序電壓，滯后164°。

3.2 2#發(fā)電機(jī)進(jìn)線的單相接地故障仿真與分析

當(dāng)2#饋線發(fā)生單相接地故障時(shí)，各個(gè)饋線的零序電流波形如圖8所示。同樣的，2#進(jìn)線作為故障線路，零序電流的幅值是最大的。1#進(jìn)線的零序電流幅值與2#接近，但相位有較大差別；3#、4#、5#和6#饋線的零序電流幅值較小，其波形也是基本一致。零序電壓和電流的幅值與相位如表2所示。同樣，第三列為修正后的相位。當(dāng)零序電壓為90°時(shí)，1#發(fā)電機(jī)進(jìn)線電纜的零序電流稍微超前零序電壓，非故障饋線的零序電流超前零序電壓90°；只有故障饋線的零序電流滯后零序電壓，滯后136.2°。

圖7 3#饋線單相接地零序電流波形

表1 3#饋線單相接地故障零序電壓電流

上述仿真驗(yàn)證了第2節(jié)末尾的結(jié)論。在中壓船舶電網(wǎng)中，單相接地故障所在線路上可以測(cè)量的零序電流幅值往往顯著大于其他非故障線路，其相位也與非故障線路上測(cè)量到的零序電流有著顯著的不同。依據(jù)這兩點(diǎn)特征，綜合保護(hù)裝置可以準(zhǔn)確的檢測(cè)到故障線路并采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如?bào)警或從系統(tǒng)切除該線路。

4 結(jié)論

結(jié)合實(shí)際的中壓船舶電網(wǎng)拓?fù)洌治隽穗娋W(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電流的分布情況，并給出相應(yīng)的表達(dá)式。最后以矢量圖的形式總結(jié)了故障線路與非故障線路中零序電壓的特征，并建立動(dòng)態(tài)模型對(duì)結(jié)論做了仿真。數(shù)據(jù)驗(yàn)證了分析結(jié)果，為船舶電網(wǎng)單相接地保護(hù)的實(shí)施提供了參考。

圖8 2#饋線單相接地零序電流波形

表2 2#饋線單相接地故障零序電壓電流

[1] 谷孝利, 何炎平, 張國(guó)安. 絞吸挖泥船中壓電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式分析與選擇[J]. 造船技術(shù), 2013, (02): 21-24.

[2] 中國(guó)船級(jí)社, 《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范（2012）》[S]. 2012.

[3] 王良秀, 唐石青, 李冬麗. 船舶電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式研究[J]. 船電技術(shù), 2006, 26(05): 41-44.

[4] 王鵬.船舶中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式研究[J]. 船舶, 2007, (03): 49-54.

[5] 陳雙, 施偉鋒, 胡紅錢, 王桂艷. 基于小波變換的中壓船舶電力系統(tǒng)接地故障選線方法研究[J]. 船電技術(shù), 2015, 35(08): 43-47.

[6] 莊偉, 牟龍華. 融合零序電流衰減直流分量的礦山電網(wǎng)接地選線[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, (04): 1087-1094.

[7] 莫文科, 徐濱海. 船舶中壓交流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 船舶工程, 2013, S1: 91-94.

Analysis and Simulation of Single-phase Grounding Fault in Marine Medium Voltage Power Grid

Zhang Fan1, Zhuang Wei2

( 1. Wuchang Shipbuilding Industry Group Co., Ltd., Wuhan 430060, China; 2. No. 711 Institute of CSIC, Shanghai 201108, China)

U665

A

1003-4862（2017）08-0010-05

2017-02-17

國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)2015年海洋工程裝備專項(xiàng)支持，發(fā)改辦高技[2015]1409號(hào)。

張凡（1981-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶輪機(jī)。

聯(lián)系人：莊偉，第七一一研究所自動(dòng)化事業(yè)部。E-mail: zhuangwei@csic711.com