適用于船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)的保護(hù)方法研究

張 平

（海軍裝備部駐上海地區(qū)第八軍事代表室 上海200011）

0 引 言

直流區(qū)域配電網(wǎng)是交直流混聯(lián)型電力系統(tǒng)的重要中間網(wǎng)絡(luò)，對(duì)全船電能的分配優(yōu)化和提高船舶生命力具有重要意義。船舶直流配電網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上與交流配電網(wǎng)類似，具有輻射狀、環(huán)狀和區(qū)域配電網(wǎng)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。直流配電網(wǎng)通過逆變電路為交流負(fù)載供電、直接或通過斬波電路為直流負(fù)載進(jìn)行供電。在中低壓直流配電中，直流配電技術(shù)具有穩(wěn)定性高、線路損耗小、便于小型分布式能源接入等優(yōu)點(diǎn)。直流配電網(wǎng)目前多用于工業(yè)園區(qū)、軌交、船舶等領(lǐng)域的供電。其中直流區(qū)域配電網(wǎng)是主要適用于船舶供電領(lǐng)域的直流網(wǎng)絡(luò)，屬于相對(duì)獨(dú)立的電力網(wǎng)絡(luò)。

目前，在船舶和航空等獨(dú)立供電領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的直流配電網(wǎng)主要為輻射形和環(huán)形配電方式，在保護(hù)策略方面，研究與應(yīng)用較多的有：過電流定時(shí)限保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、智能算法保護(hù)、基于單端電氣量的無通信保護(hù)。

（1）過電流定時(shí)限保護(hù)

小型獨(dú)立電力系統(tǒng)目前仍然采用按照電流與時(shí)間原則進(jìn)行斷路器保護(hù)的整定，保護(hù)雖然簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但是按照時(shí)間原則，越靠近上級(jí)線路的保護(hù)開關(guān)延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，有可能使故障類型向更嚴(yán)重的程度發(fā)展，危害電力系統(tǒng)。針對(duì)過電流定時(shí)限保護(hù)的缺點(diǎn)，張芳等提出通過比較本端故障電流的變化來判別對(duì)端斷路器的動(dòng)作狀態(tài)，再按照時(shí)限特性加速啟動(dòng)本端保護(hù)的方法，很大程度上減少了保護(hù)的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)。劉華臣等提出在保護(hù)中加入邏輯單元，利用斷路器輸出開關(guān)量逐級(jí)傳遞代替時(shí)間原則，將過電流定時(shí)限保護(hù)作為后備保護(hù)，保證了保護(hù)的快速性與可靠性。

（2）線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

直流線路與交流線路的線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理相同，都是基于基爾霍夫電流定律，通過對(duì)被保護(hù)線路兩端測(cè)量到的電流幅值、電流方向、功率方向等電氣量進(jìn)行比較來進(jìn)行故障定位，主要采用基于電流量的差動(dòng)保護(hù)。線路差動(dòng)保護(hù)不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，可靠性與速動(dòng)性很高，在陸用電力系統(tǒng)的保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。但是遠(yuǎn)距離輸電線路對(duì)通信條件有一定的要求，經(jīng)大電阻接地時(shí)保護(hù)的靈敏度也會(huì)降低。

在船舶這種獨(dú)立電力系統(tǒng)中，輸電線纜很短，配置線路差動(dòng)保護(hù)十分方便，尤其是在船舶電力系統(tǒng)較復(fù)雜的情況下，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)具有優(yōu)良的選擇性。范繼偉等在此基礎(chǔ)上提出以廣域差動(dòng)保護(hù)為后備保護(hù)的方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)任意兩測(cè)量點(diǎn)間的差動(dòng)保護(hù)，構(gòu)成嵌套式保護(hù)。李斌等提出利用暫態(tài)極性制定保護(hù)方案，通過比較被保護(hù)線路上線路兩端電流暫態(tài)極性的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)故障定位，比較適用于含有多個(gè)分布式電源的電網(wǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，通信實(shí)時(shí)性、互感器飽和、輕微故障下保護(hù)拒動(dòng)等問題等成為差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，在交流電力系統(tǒng)中已有故障分量、補(bǔ)償電容等解決方法，而對(duì)于直流線路，這些問題仍有待探究。

（3）基于智能算法的保護(hù)

近年來，越來越多的智能算法也逐漸應(yīng)用于直流配電保護(hù)，能較好實(shí)現(xiàn)故障定位與切除，并調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前研究最多的為自適應(yīng)保護(hù)算法。自適應(yīng)保護(hù)是一種能根據(jù)電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和故障狀態(tài)的變化而實(shí)時(shí)改變保護(hù)原理、特性以及定值的保護(hù)方法，從而使保護(hù)裝置能快速適應(yīng)電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生的各種變化。目前自適應(yīng)算法主要在傳統(tǒng)保護(hù)的基礎(chǔ)上作出改進(jìn)，包括自適應(yīng)電流速斷保護(hù)、自適應(yīng)電壓速斷保護(hù)、自適應(yīng)過電流保護(hù)、自適應(yīng)電流向量縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、自適應(yīng)距離保護(hù)等。自適應(yīng)保護(hù)能克服同類型傳統(tǒng)保護(hù)長(zhǎng)期存在的難題，體現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)越性。除自適應(yīng)算法外，還有許多關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的研究。Li W等利用小波多分辨分析和Parseval定理對(duì)不同故障特征進(jìn)行了提取，選擇不同分辨率的故障信號(hào)能量變化作為特征向量，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行中壓直流船舶電力系統(tǒng)故障檢測(cè)與分類。陳中孝等在專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩者相結(jié)合的故障診斷方法的基礎(chǔ)上，把各個(gè)混合型直流斷路器的工作狀態(tài)作為專家系統(tǒng)的采樣輸入數(shù)據(jù)，各個(gè)短路點(diǎn)的斷路器動(dòng)作時(shí)刻的電流信號(hào)作為 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本輸入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短路故障進(jìn)行診斷與拓?fù)渲貥?gòu)。

智能算法保護(hù)系統(tǒng)的可靠性較高，對(duì)各類電力網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性極高，值得進(jìn)行進(jìn)一步的探究。但其需要以完備的通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)通信依賴較高，其對(duì)船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)的適應(yīng)性需視實(shí)際應(yīng)用情況而定。此外，智能算法保護(hù)系統(tǒng)較為復(fù)雜，目前尚處于理論研究階段，仍需大量的實(shí)驗(yàn)與仿真論證。（4）基于單端電氣量的無通信保護(hù)

無通信保護(hù)往往只需要單端電氣量便可以進(jìn)行故障定位，實(shí)現(xiàn)全線相繼速動(dòng)。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)交流線路的無通信保護(hù)已有較多研究，如基于單端電流電壓工頻分量的零序分量保護(hù)、電流突變量保護(hù)，基于暫態(tài)分量的邊界保護(hù)、行波保護(hù)等。對(duì)于獨(dú)立電力系統(tǒng)，很少有關(guān)于單端電氣量的無通信保護(hù)。這種類型的保護(hù)避免了對(duì)通信的要求，在某些通信環(huán)境條件惡劣的獨(dú)立電力系統(tǒng)中有較高的可靠性。該類保護(hù)對(duì)于不對(duì)稱故障能可靠、快速動(dòng)作，但無法正確反映對(duì)稱故障。

目前關(guān)于船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)保護(hù)的研究尚不成熟。本文主要探究適用于船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)的保護(hù)方法，根據(jù)船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行特點(diǎn)，研究分析常見直流線路保護(hù)方法在直流區(qū)域配電網(wǎng)保護(hù)中的適應(yīng)性，并得出電流差動(dòng)保護(hù)、電流變化率+電流變化量相結(jié)合的電流突變量保護(hù)有著較好的適應(yīng)性的結(jié)論。

1 船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)

船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)是由電力電子變流器、配電裝置、直流電纜和用電負(fù)載等組成的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一般在船舶的兩側(cè)配置左舷及右舷兩條主匯流母線，含有多個(gè)配電分區(qū)，各個(gè)分區(qū)內(nèi)均含有供電單元與負(fù)載單元，使電能傳輸網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域分配最大化。一種船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淙鐖D1所示，其中ZONE 1- ZONE

n

代表

n

個(gè)配電分區(qū)。

圖1 船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)拓?fù)鋱D

在圖1中，左右直流母線一般按照左右船舷對(duì)角交叉布置。每個(gè)配電分區(qū)內(nèi)都有供電單元（即直流區(qū)域配電板模塊）與負(fù)載單元，左右舷上各有

n

個(gè)獲取電能與分配電能的直流舷側(cè)配電板。

每個(gè)供電單元均通過直流舷側(cè)配電板與左右舷母線相連，由此向左舷或右舷直流母線供電。供電單元通過電力電子變流器從上級(jí)線路獲取電能。一般情況下，直流區(qū)域配電網(wǎng)處于低壓水平，需要從中壓直流電網(wǎng)中獲取電能。

每個(gè)負(fù)載單元均與其區(qū)域內(nèi)的舷側(cè)配電板相連，可以從左舷與右舷直流母線同時(shí)獲得電能。這樣當(dāng)某一舷側(cè)發(fā)生故障時(shí)，另一側(cè)舷仍然可以繼續(xù)為負(fù)載供電。

由圖1可知，左右舷之間互相隔離，當(dāng)某一舷發(fā)生故障時(shí)，非故障舷能夠繼續(xù)為負(fù)載進(jìn)行供電，以保證供電連續(xù)性；當(dāng)局部發(fā)生故障時(shí)，能夠迅速調(diào)整區(qū)域網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并優(yōu)先保證重要負(fù)荷的供電。此外，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)克服了船體的封閉性、耐壓性等問題，為船體節(jié)約了空間，也相應(yīng)提高了發(fā)電機(jī)組的工作效率，體現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。

為實(shí)現(xiàn)左右舷之間的隔離，1個(gè)供電單元最多能選擇1條舷進(jìn)行供電，即根據(jù)實(shí)際供電需求的不同，運(yùn)行工況有多種情況：

設(shè)

S

…

S

S

表示低壓直流區(qū)域配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。并規(guī)定：

由此可得

S

…

S

S

取值有2種可能。其中所有供電單元均與左舷母線或右舷母線相連這兩種情況為單母線運(yùn)行工況，其余情況均為雙母線運(yùn)行工況。由此可見，直流區(qū)域配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行工況很可能是實(shí)時(shí)變化的，這為保護(hù)方案的考慮帶來困難。此外，為實(shí)現(xiàn)直流與交流的轉(zhuǎn)變，船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)含有大量的有閉鎖功能的電力電子器件，這也為保護(hù)方法的選取帶來困難，在制定船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)的保護(hù)策略時(shí)需要對(duì)上述兩種情況予以考慮。

2 適用于船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)的保護(hù)方法

不同于交流線路，直流線路有兩種故障類型：?jiǎn)螛O接地故障、極間短路故障。對(duì)于單極接地故障，非故障極電壓會(huì)上升為接近于原來的2倍，故障極電壓降為接近于0；對(duì)于極間短路故障，正負(fù)極電壓均降為接近于0。

前文已經(jīng)提到，目前船舶直流電網(wǎng)中主要應(yīng)用的保護(hù)方法包括：過電流定時(shí)限保護(hù)、縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、基于單端電氣量的無通信保護(hù)?；谥悄芩惴ǖ谋Ｗo(hù)目前大多處于理論研究階段，且對(duì)通信條件要求較高，不適用于運(yùn)行環(huán)境惡劣的船用直流配電網(wǎng)。另外，由于船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^復(fù)雜，利用電壓量過高或過低構(gòu)成的保護(hù)僅能起到輔助選極的作用，難以進(jìn)行故障定位、構(gòu)成單獨(dú)保護(hù)。

2.1 過電流定時(shí)限保護(hù)

過電流定時(shí)限保護(hù)是目前最常用的保護(hù)方式，其與傳統(tǒng)交流電網(wǎng)的過電流定時(shí)限保護(hù)原理類似。發(fā)生短路故障后，當(dāng)電流幅值首次大于保護(hù)開關(guān)的整定值時(shí)，保護(hù)就會(huì)啟動(dòng)，在延時(shí)的時(shí)間段內(nèi)，電源饋送流過保護(hù)開關(guān)的電流值應(yīng)該持續(xù)保持在整定值之上，則保護(hù)裝置判斷為短路故障，從而發(fā)出跳閘信號(hào)。若中間任一時(shí)刻電流值小于整定值，保護(hù)將返回。此保護(hù)方法主要用于切除線路遠(yuǎn)端處短路的故障，也常作為下一級(jí)線路的后備保護(hù)。

船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)屬于雙向潮流網(wǎng)絡(luò)，過電流保護(hù)需要與方向元件相配合，保護(hù)安裝處流過的電流方向一般選從母線到線路為正方向，如圖2箭頭所示。

圖2 過電流定時(shí)限保護(hù)—電流正方向示意圖

定時(shí)限的選取通常按照從最后一級(jí)線路向上級(jí)線路逐級(jí)遞增的原則進(jìn)行。即定時(shí)限時(shí)間

t

＞

t

＞

t

；

t

＞

t

＞t。如下頁圖3，發(fā)生故障

F

后，CB1、CB3、CB6處由于流經(jīng)保護(hù)處電流方向?yàn)樨?fù)，保護(hù)不啟動(dòng)。CB2、CB4、CB5處檢測(cè)到正向過流，保護(hù)啟動(dòng)，CB4延時(shí)

t

后動(dòng)作、CB5延時(shí)

t

后動(dòng)作，將故障切除，CB2返回。因此，直流區(qū)域配電保護(hù)應(yīng)具備方向性。

圖3 過電流定時(shí)限保護(hù)—短路故障示意圖

船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)中的電力電子器件在外部發(fā)生短路故障后的一定時(shí)間內(nèi)（數(shù)十毫秒）會(huì)閉鎖，以防止短路故障對(duì)電力電子器件造成損害，這一時(shí)間往往較短。因此，直流線路故障發(fā)展至穩(wěn)定狀態(tài)需要的時(shí)間通常大于閉鎖時(shí)間，顯然定時(shí)限過電流保護(hù)無法滿足在閉鎖時(shí)間內(nèi)將故障切除。

這種保護(hù)方式不能作為主保護(hù)，但其定時(shí)限原理可以應(yīng)用于直流區(qū)域配電網(wǎng)的后備保護(hù)中，這需要選取很小的時(shí)限階梯，但時(shí)限階梯過小會(huì)造成整定值難以整定，為此需要尋求其余可行的保護(hù)方法。

2.2 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

目前應(yīng)用最多的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)包括：電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和方向縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。其中，電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)利用被保護(hù)區(qū)域端口流過的電流差值構(gòu)成保護(hù)判據(jù)；方向縱聯(lián)保護(hù)主要利用被保護(hù)區(qū)域端口的電流或功率的方向構(gòu)成保護(hù)判據(jù)。此外，也有關(guān)于暫態(tài)故障分量的差動(dòng)保護(hù)，主要是利用被保護(hù)區(qū)域端口處的暫態(tài)故障電流極性間的相關(guān)性構(gòu)成保護(hù)判據(jù)。

2.2.1 電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

電流差動(dòng)保護(hù)的基本原理是比較被保護(hù)設(shè)備各引出線上的電流，在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)電流差動(dòng)值極大，而正常運(yùn)行條件下或發(fā)生區(qū)外故障時(shí)電流差動(dòng)值接近于0。

假設(shè)某一段被保護(hù)線路兩端測(cè)量得到的電流分別為

I

、

I

，則差動(dòng)電流由式（2）決定：

式中：

I

為差動(dòng)電流，A。

當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，差動(dòng)電流滿足判定式（3）：

式中：

I

為差動(dòng)電流整定值，通常根據(jù)實(shí)際電路參數(shù)進(jìn)行整定，A。而對(duì)于區(qū)外故障或正常運(yùn)行的工況，差動(dòng)電流

I ≈

0，從而保護(hù)閉鎖。

下面對(duì)這一保護(hù)作出具體說明。電流差動(dòng)保護(hù)下的短路故障示意圖見圖4和下頁圖5，其中電流的正方向選取為母線流向線路。

圖4 電流差動(dòng)保護(hù)下的短路故障示意圖1

圖5 電流差動(dòng)保護(hù)下的短路故障示意圖2

差動(dòng)保護(hù)與系統(tǒng)短路電路水平無關(guān)，通用性很強(qiáng)，并且船舶直流電力系統(tǒng)越復(fù)雜，該方法的優(yōu)勢(shì)越明顯。在區(qū)域直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，雖然可能會(huì)出現(xiàn)類似于方向縱聯(lián)保護(hù)中存在的問題，但電流差動(dòng)值是各被測(cè)量端口電流值之和，差動(dòng)值仍然存在，能夠較好地克服多種運(yùn)行工況為保護(hù)帶來的困難。電流差動(dòng)保護(hù)對(duì)通信依賴程度較高，但是在船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)這種小型電網(wǎng)的環(huán)境下，可以直接配置引線得到電流差動(dòng)值，從而避免對(duì)通信的依賴。

2.2.2 方向縱聯(lián)保護(hù)

直流線路的方向縱聯(lián)保護(hù)與交流線路類似，通過流經(jīng)方向元件處的電流方向進(jìn)行故障定位。用于直流線路的保護(hù)時(shí)，無需判斷是否發(fā)生過流，但需要依賴于通信進(jìn)行線路兩端電流方向的比較。此方法多用于直流母線上發(fā)生短路的情況，方向元件的正方向一般選取從母線到線路為正方向。

下面以線路

L

的保護(hù)為例介紹方向縱聯(lián)保護(hù)。其中線路

L

的兩端配置的保護(hù)分別為CB2、CB3，因此需要分析CB2與CB3的配合情況。區(qū)外和區(qū)內(nèi)分別發(fā)生短路故障的電流流向如圖6、圖7所示。

圖6 方向縱聯(lián)保護(hù)下的區(qū)外短路故障示意圖1

圖7 方向縱聯(lián)保護(hù)下的區(qū)內(nèi)短路故障示意圖2

如圖6，當(dāng)發(fā)生故障

F

′時(shí)，CB2、CB3上均判斷發(fā)生過流，而且CB2、CB3上方向元件判定電流方向均為正，由此確定區(qū)內(nèi)發(fā)生故障，保護(hù)動(dòng)作。如圖7，當(dāng)母線BU2上發(fā)生短路故障

F

′時(shí)，CB2、CB3上判斷發(fā)生過流，此時(shí)CB2上方向元件判定電流方向?yàn)檎?、CB3上方向元件判定電流方向?yàn)樨?fù)。同理可得，只要不是在線路

L

上發(fā)生短路故障，CB3、CB4上的方向元件判定結(jié)果總是一正一負(fù)，這樣在正常運(yùn)行狀態(tài)下或區(qū)外發(fā)生故障時(shí)保護(hù)不會(huì)啟動(dòng)。方向縱聯(lián)保護(hù)應(yīng)用于直流區(qū)域配電網(wǎng)時(shí)有一定的局限性。一方面，方向縱聯(lián)保護(hù)需要一定的過電流量配合，整定值難以選?。涣硪环矫?，某些運(yùn)行工況下保護(hù)存在拒動(dòng)的可能，例如在ZONE 2的供電單元為左舷供電，其余區(qū)域的供電單元均為右舷供電的運(yùn)行工況（見圖8）下發(fā)生故障

F

時(shí)，斷路器CB1上不會(huì)產(chǎn)生短路電流，這是因?yàn)閆ONE 1內(nèi)的供電單元此時(shí)僅向右舷供電，線路

L

左側(cè)不會(huì)有向短路點(diǎn)提供短路電流的供電單元，方向縱聯(lián)保護(hù)無法做出正確判斷，保護(hù)拒動(dòng)。對(duì)于方向縱聯(lián)保護(hù)，可以考慮進(jìn)一步研究改進(jìn)方法，使其適用于船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)。

圖8 只有ZONE 2內(nèi)的供電單元為左舷供電時(shí)的潮流方向

2.2.3 暫態(tài)極性保護(hù)

暫態(tài)極性保護(hù)是一種適用于含有多個(gè)分布式電源電網(wǎng)的利用暫態(tài)故障信息的保護(hù)。故障暫態(tài)分量包含著豐富的故障信息，包括故障類型、故障地點(diǎn)和故障持續(xù)時(shí)間等。故障產(chǎn)生的高頻暫態(tài)量在頻域中遍布整個(gè)頻譜，反映的是電網(wǎng)自身的故障暫態(tài)特性，與系統(tǒng)兩側(cè)電源種類和容量無關(guān)。因此暫態(tài)極性保護(hù)對(duì)于含有多個(gè)電源的區(qū)域電網(wǎng)有著很好的適用性。

通過比較被保護(hù)線路上線路兩端電流暫態(tài)極性的相關(guān)性可以實(shí)現(xiàn)故障定位。電流的正方向通常選取為母線流向線路。暫態(tài)電流信號(hào)高頻分量極性用互相關(guān)函數(shù)的概念來對(duì)兩個(gè)暫態(tài)信號(hào)的相似程度進(jìn)行描述。暫態(tài)極性保護(hù)下的故障示意圖見圖9和下頁圖10。

圖9 暫態(tài)極性保護(hù)下的故障示意圖1

圖10 暫態(tài)極性保護(hù)下的故障示意圖2

以線路

L

上的兩側(cè)的電流為例，人為定義

I

（

t

）與

I

（

t

）兩者的互相關(guān)函數(shù)定義如下：

式中：

T

為積分區(qū)間。

雖然暫態(tài)極性保護(hù)能夠克服分布式電源容量對(duì)保護(hù)的影響，但類比方向縱聯(lián)保護(hù)可知，由于直流區(qū)域配電網(wǎng)的靈活性，理論上存在多種的運(yùn)行工況，暫態(tài)極性保護(hù)同樣存在一定的局限性。參見圖8，當(dāng)某一舷上僅有1個(gè)供電單元進(jìn)行供電，且在該側(cè)舷上發(fā)生短路故障時(shí)，僅有1個(gè)供電單元對(duì)故障點(diǎn)饋入短路電流，這樣僅有1端線路存在暫態(tài)電流，無法構(gòu)成保護(hù)的判別，或得到不相關(guān)的判定結(jié)果，造成保護(hù)拒動(dòng)。

2.3 單端電氣量保護(hù)

對(duì)于船舶獨(dú)立電力系統(tǒng)，單端電氣量保護(hù)目前仍以理論研究為主，但因其不需要通信，具有一定的研究?jī)r(jià)值。在陸用電力系統(tǒng)中，最主要的單端電氣量保護(hù)為邊界保護(hù)與行波保護(hù)。邊界保護(hù)需要在線路兩端添加邊界元件（以電抗器為主），利用故障發(fā)生時(shí)電抗器兩端故障暫態(tài)高頻分量的差異來實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與定位。但是邊界元件的存在使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，不適用于船舶直流電網(wǎng)等小型配電網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)上。行波保護(hù)是比較被保護(hù)線路兩側(cè)故障電流、電壓的第1個(gè)行波波頭正負(fù)極性而作用于跳閘的繼電保護(hù)。但是，行波保護(hù)多用于遠(yuǎn)距離高壓直流線路，同樣不適用于船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)。

除以上這兩類保護(hù)外，與二極管相關(guān)的保護(hù)、電流突變量保護(hù)在船舶直流電力系統(tǒng)中可以達(dá)到較好的效果。二極管可以隔離故障線路與非故障線路，從而簡(jiǎn)化整體保護(hù)方案的設(shè)計(jì)；電流突變量保護(hù)無需額外的邊界元件，且不會(huì)增加電網(wǎng)的復(fù)雜性，保護(hù)可靠性很高。

2.3.1 利用二極管隔離故障

對(duì)于直流線路，可以應(yīng)用反并聯(lián)二極管將故障線路與故障的上級(jí)線路隔離開來，這在很大程度上簡(jiǎn)化了保護(hù)的難度。以下頁圖11所示的電路為例（二極管朝向與潮流方向一致），當(dāng)

F

處發(fā)生短路故障時(shí)，二極管將線路

L

與線路

L

隔離開，這樣線路

L

及其上級(jí)線路可以不受故障影響繼續(xù)保持正常運(yùn)行。

圖11 帶二極管的直流電路圖

但是，對(duì)于分布式多電源的配電系統(tǒng)，其電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，因此需要配置反并聯(lián)二極管，反并聯(lián)二極管要隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與潮流方向的改變隨時(shí)調(diào)整接入方式，這反而提高了電力系統(tǒng)的復(fù)雜性。

利用二極管只能簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)方案。但是對(duì)

于直流區(qū)域配電網(wǎng)，應(yīng)用二極管可以更好地實(shí)現(xiàn)左右舷的隔離并提高負(fù)載的連續(xù)供電性。前面已經(jīng)提到，供電單元部分通過只為一個(gè)舷側(cè)直流母線的供電方式將左右舷隔離。然而，如果負(fù)載側(cè)仍使用這種方式隔離左右舷，也將降低負(fù)載的供電連續(xù)性，因?yàn)榕c故障舷相連的負(fù)載必然會(huì)經(jīng)歷一段失電時(shí)間，才能轉(zhuǎn)移到非故障舷上繼續(xù)獲得電能或就此退出運(yùn)行。如果在負(fù)載單元端口處串聯(lián)二極管，則負(fù)載能夠同時(shí)從左舷與右舷上獲取電能；如果某一舷發(fā)生故障，負(fù)載仍可從非故障舷持續(xù)獲得電能，二極管能將左右舷隔離以防故障傳至非故障舷，從而大大提高供電連續(xù)性。

2.3.2 電流突變量保護(hù)

電流突變量保護(hù)是利用故障瞬間與電流量相關(guān)的突變量進(jìn)行保護(hù)。最常應(yīng)用的為電流變化量+電流變化率相結(jié)合的保護(hù)。直流電網(wǎng)在電源出口處往往配有電容值很大的并網(wǎng)支撐電容。故障后電容放電電流表達(dá)式見式（6）：

式中：

U

為正常運(yùn)行工況下的直流電壓，V；

C

為支撐電容值，F(xiàn)；

R

=

R

+

R

，其中

R

為線路等效阻抗，Ω；

R

為故障過渡電阻，Ω。

短路故障時(shí)并網(wǎng)電容放電瞬間會(huì)產(chǎn)生極大的電流變化率，并在故障后的一定時(shí)間內(nèi)存在較大的電流變化量。

電流變化量與電流變化率相結(jié)合的保護(hù)流程圖見圖12。

圖12 電流變化量+電流變化率相結(jié)合的保護(hù)流程圖

此保護(hù)方式是監(jiān)測(cè)保護(hù)處電流變化率d

I

，并有故障判據(jù)式（7）：

式中：d

I

為電流變化率整定值，A。若式（7）滿足，則保護(hù)啟動(dòng)并延時(shí)一段時(shí)間Δ

t

，延時(shí)時(shí)間Δ

t

結(jié)束時(shí)的流經(jīng)保護(hù)的電流增量Δ

I

為：

式中：

I

為保護(hù)啟動(dòng)時(shí)測(cè)量的電流值，A；

I

為延時(shí)Δ

t

時(shí)間后測(cè)量的電流值，A。對(duì)于Δ

I

，有故障判據(jù)式（9）：

式中：Δ

I

為電流變化量整定值，A。

若式（9）滿足，則保護(hù)動(dòng)作，否則保護(hù)返回。

Δ

I

一般按躲過負(fù)載突加、電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的Δ

I

進(jìn)行整定。此方法難以進(jìn)行故障定位，缺乏選擇性，需要與定時(shí)限原理相結(jié)合，但故障瞬間的電流變化率會(huì)因故障發(fā)生位置的不同而有著不同的極性，即保護(hù)安裝處的上級(jí)線路發(fā)生故障與保護(hù)安裝處的下級(jí)線路發(fā)生故障時(shí)的極性相反，由此可以確定方向，無需單獨(dú)配置方向元件。各故障特征量之間的關(guān)系見下頁圖13。

圖13 電流變化率與電流變化量示意圖

這種保護(hù)方法可以很好地應(yīng)用于船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)，這是因?yàn)楸Ｗo(hù)中本身就需要很短的Δ

t

，結(jié)合定時(shí)限原理，能夠很好地為船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)全網(wǎng)絡(luò)提供后備保護(hù)；此外，保護(hù)無需通信。

3 結(jié) 語

本文首先對(duì)船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并基于此對(duì)各類船用直流電網(wǎng)的主要保護(hù)方式在船舶直流區(qū)域配電網(wǎng)中的適應(yīng)性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

二極管保護(hù)可以起到輔助保護(hù)的作用，但不能單獨(dú)構(gòu)成保護(hù)；方向縱聯(lián)保護(hù)、暫態(tài)極性保護(hù)存在一定的局限性，在一些運(yùn)行工況下存在保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)；智能算法保護(hù)的可靠性較高，但受通信條件的約束；定時(shí)限過電流保護(hù)無法滿足速動(dòng)性要求，但其定時(shí)限原理可以借鑒；電流差動(dòng)保護(hù)、“電流變化率+電流變化量”相結(jié)合的電流突變量保護(hù)具有較好的適應(yīng)性，可以據(jù)此進(jìn)一步研究保護(hù)方案。