船舶電網(wǎng)單相接地故障選線方法研究綜述*

王孔賢 邵 英 王黎明 周 航

（海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033）

1 引言

船舶綜合電力系統(tǒng)始于20世紀90年代中期，是我國船舶發(fā)展的重要組成部分，它是指通過電力網(wǎng)絡將發(fā)電、日常用電、探測供電綜合為一體的電力系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了發(fā)電、配電與電力推進用電及其它設備用電統(tǒng)一調(diào)度和集中控制，有利于實現(xiàn)對全船能量的精確高效控制，提高船舶系統(tǒng)效率，是未來船舶發(fā)展的重要趨勢，在軍事方面，綜合電力系統(tǒng)的應用可以顯著提高艦船隱身性、機動性、操控性和續(xù)航力，極大提高了艦船的戰(zhàn)斗力。

船舶綜合電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸配電、變電、推進、儲能、監(jiān)控/管理6個模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中輸配電模塊由電纜、母線、斷路器和保護裝置組成，負責將電能傳送到用電設備，變電模塊根據(jù)用電設備的電能需求實現(xiàn)電制、電壓和頻率的變換，給日用設備和通信導航設備供電，輸配電模塊和變電模塊共同構(gòu)成了船舶電網(wǎng)［1～2］，它是由船用電纜、導線和配電裝置通過特定的連接組成的整體，發(fā)電機組所產(chǎn)生的電能就是通過船舶電網(wǎng)輸送到各個用電設備，所以保證船舶電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行，在其發(fā)生接地故障后能夠快速精準的選線定位故障線路有著極其重要的意義。

圖1 船舶綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

船舶電網(wǎng)和陸地電網(wǎng)的對比情況見表1，從中可以看出船舶電網(wǎng)相較于陸地電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更復雜、運行工況更多樣、各電氣設備間距離更近、所處的環(huán)境更惡劣。根據(jù)以往的電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計，無論是在船舶電網(wǎng)故障中還是陸地電網(wǎng)故障中，占所發(fā)生故障的比例超過半數(shù)的均為單相接地故障。單相接地故障發(fā)生后，如果沒有及時被診斷定位，將會破壞電氣設備的絕緣性，產(chǎn)生較大的沖擊電流，危害整個電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行［3］，因此對船舶電網(wǎng)的單相接地故障進行快速精準的選線定位有著重大的意義。

表1 船舶電網(wǎng)和陸地電網(wǎng)的對比情況

2 船舶電網(wǎng)的接地方式

船舶電網(wǎng)采用不同的接地方式會表現(xiàn)出不同的單相接地故障特征，對供電連續(xù)性和設備人員安全性也會造成不同的影響，為了使得單相接地故障影響最小，將其危害限制到最低程度，必須改變船舶電網(wǎng)的接地方式。如今隨著船舶執(zhí)行的任務越來越復雜，越來越艱巨，船用的負載功率也隨之提升，對船舶電力系統(tǒng)的容量有了更高的要求，原來廣泛使用的低壓電力系統(tǒng)不再完全適合，船舶電力系統(tǒng)的電壓等級［4］正由低壓380V提高到中壓6.6kV或11kV，但是電壓的提高會對用電設備的絕緣等相關(guān)性能有著更高的要求，因此分析比較現(xiàn)有的接地方式，選擇適用于船舶中壓電力系統(tǒng)的中性點接地方式有著重要意義。

2.1 接地方式分類及其特點

電力系統(tǒng)中發(fā)電機和變壓器星形接線的公共點稱為中性點，而所謂接地，就是利用裝置把電力設備的一部分與“大地”連接起來。中性點接地方式通常分為兩大類，即小電流接地方式和大電流接地方式兩種［5～7］，大電流接地方式也叫中性點有效接地方式，在故障發(fā)生時通過短路回路增大接地故障電流，進而實現(xiàn)自動切斷斷路器等保護裝置斷開故障點負荷，保護整個電路的安全。小電流接地方式也叫中性點非有效接地方式，故障發(fā)生后不會產(chǎn)生較大的故障電流，不需要立即切斷故障點負荷，具體分類及特點見表2。

表2 接地方式分類及特點

從表2中分析出，大電流接地方式的優(yōu)點主要體現(xiàn)在繼電保護選擇性上，但大電流接地方式在發(fā)生單相接地故障時，電流巨大，嚴重威脅設備和操作人員的安全，還會導致系統(tǒng)的供電連續(xù)性較差，而對于小電流接地系統(tǒng)，單相接地故障發(fā)生后，接地故障電流較小，通常不超過10 A，接地電阻通常不超過4Ω，所以電壓最大值不會超過40V，不易發(fā)生人身觸電傷亡事，保證了設備和人員的安全性且較小的故障電流使系統(tǒng)仍然可以運行一定時間，具有較好的供電可靠性。

2.2 船舶電網(wǎng)接地方式選擇

對船舶電網(wǎng)中性點接地方式的選擇需要考慮從以下各個角度來考慮［8］：

1）發(fā)生單相接地故障時，能較好地保證船舶電網(wǎng)的供電連續(xù)性；

2）發(fā)生單相接地故障時，能夠有效抑制電網(wǎng)可能出現(xiàn)的各種過電壓；

3）接地方式應盡量避免接地故障時對其他電氣設備產(chǎn)生影響；

4）不降低繼電保護的靈敏性和故障快速切斷的可靠性；

5）接地設備應盡量精簡易安裝，便于操作使用，降低投入成本。

由于船舶一般工作在比較惡劣的特殊環(huán)境中，所以供電連續(xù)性和設備安全性是需要重點考慮的指標，而小電流接地系統(tǒng)能夠很好地滿足這一要求，表3列出了國內(nèi)外典型船舶電力系統(tǒng)的額定電壓和接地方式［9］。

表3 國內(nèi)外典型船舶的額定電壓和接地方式

從表3可以看出無論是國內(nèi)還是國外，對于低壓船舶電網(wǎng)普遍采用中性點不接地，對于中壓船舶電網(wǎng)普遍采用中性點高電阻接地。而對于中性點諧振接地方式，由于船舶電網(wǎng)的運行方式和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)會經(jīng)常隨著船舶的工況改變而改變，拓撲結(jié)構(gòu)因此頻繁發(fā)生重構(gòu)，網(wǎng)絡參數(shù)也會跟著變化，但消弧線圈的補償是一個較慢的過程，其補償度不能立即動作發(fā)生改變，由此其抑制過電壓的作用可能失效，同時還會可能出現(xiàn)消弧線圈與電網(wǎng)對地電容發(fā)生諧振的情況［10］且經(jīng)消弧線圈接地的投資成本也比其他方式高，因此船舶電網(wǎng)普遍采用的是中性點不接地方式或者中性點高電阻接地方式。

3 船舶電網(wǎng)單相接地故障診斷

雖然小電流接地系統(tǒng)可以在一定程度上降低單相接地故障的危害，提高了船舶電網(wǎng)的安全性和可靠性，但是船舶電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)大多采用三相三線制，在發(fā)生單相接地故障后，非故障相的對地相電壓會升高，破壞電氣設備和電纜的絕緣性，甚至可能進一步發(fā)展成兩點或多點故障，因而需要快速準確地確定故障線路，進而排除故障。

3.1 單相接地故障特征

為了準確地實現(xiàn)故障的選線定位，對單相接地故障時線路中會出現(xiàn)的故障特征進行分析，如圖2為船舶電網(wǎng)中性點高阻接地系統(tǒng)單相接地故障示意圖。

圖2 船舶電網(wǎng)中性點高阻接地系統(tǒng)單相接地故障示意圖

由圖2可知，短路點的電流流過故障線路對地電容、非故障線路對地電容、中性點接地電阻后匯合到短路點，由此分析可知流經(jīng)非故障線的電流大小和中性點電阻的電流大小之和即為流過故障線的電流大小，故障線路的電流的方向為流向母線，其他的非故障線路電流方向則與之相反，為流出母線，流向線路［8］，由此可以總結(jié)出單相接地故障的兩點特征：

1）單相接地故障發(fā)生在饋線上時，非故障線路與故障線路上的零序電流極性相反，且故障線路的暫態(tài)零序電流幅值大于所有非故障線路的暫態(tài)零序電流幅值，單相接地故障發(fā)生在母線上時，在所有出線上的零序電流的極性相同，都是至母線流出，流向各條饋線；

2）母線零序電壓滯后非故障線路的電流方向90°，對于不接地系統(tǒng)，母線零序電壓超前故障線路的電流方向90°，對于經(jīng)電阻接地的系統(tǒng)，母線零序電壓超前故障線路的電流方向一個銳角度。

基于以上特點許多利用故障線路零序電流和非故障線路零序電流的幅值、相位差異的選線方法被廣泛使用在陸地電網(wǎng)中，如零序電流比幅法、零序電流比相法、能量函數(shù)法和諧波分量法等，上述這幾種是基于故障線路的零序電流的穩(wěn)態(tài)量進行選線，除此以外還有基于零序電流的暫態(tài)量進行選線的方法，如首半波法、特征頻帶法、基于小波分析的選線方法等。陸地電網(wǎng)針對小電流接地系統(tǒng)的選線原理進行了許多的相關(guān)研究，但目前已有的研究中暫無任何一種選線原理可以完全在所有類型的小電流接地系統(tǒng)中適用［8］，而船舶電網(wǎng)的實際情況與陸地電網(wǎng)又存在差異，比如存在零序電流幅值特征不明顯、輸電線路短等問題，因此，將陸地電網(wǎng)的選線原理運用到船舶電網(wǎng)中需要作進一步的分析。

3.2 船舶電網(wǎng)接地故障選線方法

近些年來船舶電網(wǎng)的接地故障選線技術(shù)隨著船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展而逐漸得到關(guān)注，國外的學者在這方面的取得的進展要快于國內(nèi)。2005年，Douglas等［12］首次提出將小波分析用于不接地的船舶電力系統(tǒng)的接地故障診斷，并使用PSPICE搭建仿真模型和db小波進行小波變換實現(xiàn)了故障檢測。2008年，Yan等［13］針對高阻接地的船舶直流區(qū)域配電系統(tǒng)提出了一種利用電力電子轉(zhuǎn)換器開關(guān)動作產(chǎn)生的噪聲來進行接地故障定位的方法，不同的故障位置與不同的噪聲模式相關(guān)聯(lián)，利用小波多分辨率分析和分形維數(shù)分析來處理噪聲信號提取特征完成故障定位。2009年，Yan等［14～15］又將這一方法成功應用于不接地的船舶直流區(qū)域配電系統(tǒng)，并通過硬件實驗室測試證明了該方法的可行性。2017年，F(xiàn)ord等［16］在Yan的基礎(chǔ)上將利用電力電子轉(zhuǎn)換器開關(guān)動作產(chǎn)生的噪聲來進行接地故障定位的方法應用于中壓直流船舶電力系統(tǒng)的接地故障診斷中。

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶電網(wǎng)的接地故障診斷技術(shù)漸漸也與其相結(jié)合趨向于智能化，2006年，Momoh等［17］針對美國海軍IPS提出一種新型電弧故障建模方法以及基于ANN的故障檢測技術(shù)；2011年，Chanda等［18］提出了一種基于ANN的中壓直流船舶電力系統(tǒng)輸電線接地故障分類和定位方法；2014年，Li等［19］提出了一種將小波多分辨率分析技術(shù)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的中壓直流船舶電力系統(tǒng)接地故障檢測和分類方法；2021年，Jacob等［20］利用圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡解決了船舶電網(wǎng)的接地故障的檢測和分類問題，將船舶電力系統(tǒng)的動態(tài)模型與網(wǎng)絡當前拓撲提取的測量值作為網(wǎng)絡輸入，通過訓練測試證明該模型能夠以99%的準確度檢測接地故障的位置和類型。

相較于國外的研究，我國在船舶電網(wǎng)的接地故障診斷方面的研究起步較晚。很多船舶的接地故障選線方法還停留在人工操作的層次上，典型的就是“地氣燈”，即在船舶的總配電盤和照明系統(tǒng)的分配電盤上安裝監(jiān)視裝置，如圖3所示，根據(jù)三個燈的明暗程度進行故障線路選擇，這種選線速度較慢，選線過程復雜，操作較為繁瑣。

圖3 “地氣燈”示意圖

針對上述人工選線方法的不足，國內(nèi)學者從單相接地故障的特征出發(fā)提出了多種選線方法。2005年，楊鋒等針對注入雙頻法在船舶電網(wǎng)接地電阻很小甚至金屬直接接地時會發(fā)生誤判的問題［21］，利用零序電流特征改進綜合判據(jù)，在高阻接地時應用雙頻法選線原理，近似金屬接地時采用零序電流幅值相位判據(jù)，選線準確度得到提高。同年莊勁武等提出了一種在接地電流較大時利用基于飽和深度的幅值比較法來實現(xiàn)故障支路定位的方法［22］，該方法成功應用于船舶電網(wǎng)的接地故障定位中。

受到Douglas的啟發(fā)，國內(nèi)也將小波變換應用于船舶電網(wǎng)的接地故障診斷中，并且不斷創(chuàng)新。2012年，鮑秀昌等利用小波分析和小波包能量熵方法，對船舶電網(wǎng)接地故障暫態(tài)信號進行了分析和特征信息提取，結(jié)果表明兩種方法都有效地提取了故障特征信息，其中小波包能量熵方法提取的特征向量與故障之間是一種非線性的映射關(guān)系［23］，適用于與其他智能故障診斷方法相結(jié)合。2013年，王宏亮等［24～25］對輸電線單相接地故障產(chǎn)生的故障行波進行小波變換，分析各線路小波變換后的模極大值，完成故障選線。2015年，陳雙等［26］利用零序電流的高頻分量作為選線參考依據(jù)，基于小波變換模極大值奇異性檢測理論建立了船舶電網(wǎng)單相接地故障選線判據(jù)，能保證快速準確地選出故障線路。

單一的選線原理并不能夠?qū)崿F(xiàn)完全適應所有類型的小電流接地系統(tǒng)，所以將智能分類融合技術(shù)應用于船舶電網(wǎng)的接地故障診斷中將提高選線的準確性。2020年，宋亞偉等［27］借鑒在陸地電網(wǎng)上已經(jīng)應用成熟的基于模糊理論的綜合選線方法，結(jié)合船舶中壓電網(wǎng)中性點高阻接地的接地方式的絕緣故障特性，將零序電流比幅法、小波分析法和信號注入法融合，進一步提高了選線的精度，流程圖如圖4所示。多判據(jù)融合可以充分利用判據(jù)選線性能上的互補性，極大提高選線方法的準確性和適用性，是未來船舶電網(wǎng)接地故障選線技術(shù)發(fā)展的方向。

圖4 船舶中壓電網(wǎng)模糊綜合選線方法流程

以上所提的方法中，無論是小波變換還是多判據(jù)融合都是通過理論分析，然后在仿真中進行驗證其可行性，還未真正應用于工程實踐，真正用于工程中的是雙頻注入法［21］和單頻注入法［28］，2021年，姜帥全等針對單相接地短路故障在船舶交流電網(wǎng)中頻發(fā)的情況，設計了一種基于單頻注入法原理的，可以實現(xiàn)船舶電網(wǎng)智能絕緣監(jiān)測與故障定位功能的系統(tǒng)，其將UCOS-III系統(tǒng)移植到STM32單片機中，通過將各支路的低頻電壓、電流檢測提取出來然后計算二者的相位差從而完成在線監(jiān)測和定位［29］，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對船舶電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)絕緣電阻的測量、絕緣預警、絕緣報警、故障定位和數(shù)據(jù)記錄等功能。

許多的中性點接地系統(tǒng)都可以利用注入法這一選線原理，該方法的優(yōu)點在于能夠規(guī)避掉采用小波分析處理零序分量選線時會出現(xiàn)的諸多問題［8］，然而在實際的現(xiàn)場環(huán)境中，利用注入法設計的選線裝置的選線效果并不理想，原因在于船舶電網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波分量會干擾注入信號，造成信號不易檢測，同時注入法也需要安裝額外的檢測裝置，造成成本的增加。

隨著故障錄波裝置在船舶電網(wǎng)上的配置，船舶電網(wǎng)的接地故障診斷將會有著新的發(fā)展。在船舶電網(wǎng)發(fā)生故障時，故障錄波裝置能夠通過判斷突變量實現(xiàn)自動啟動，在故障發(fā)生后的一段時間內(nèi)對故障過程中的一些關(guān)鍵參量進行完整的記錄，例如電壓、電流、開關(guān)量、高頻信號等，這為分析故障原因提供了準確科學的依據(jù)，也為接地故障診斷提供了可靠的數(shù)據(jù)源，但是國內(nèi)關(guān)于這方面的研究基本是空白的，針對故障錄波裝置開發(fā)故障診斷分析儀有著重要意義。

4 結(jié)語

船舶電網(wǎng)單相接地故障選線對保證電網(wǎng)安全可靠運行，提高船舶的生命力有著重要意義，本文從現(xiàn)有船舶接地方式、船舶電網(wǎng)接地故障特征、國內(nèi)外接地故障選線方法三個方面出發(fā)，詳細分析總結(jié)了船舶電網(wǎng)單相接地故障選線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，目前國內(nèi)船舶電網(wǎng)的接地故障選線技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，仍然需進行大量深入的研究和工程實踐，今后的研究重點可以集中在以下四個方面：

1）陸地電網(wǎng)的小電流接地系統(tǒng)選線技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了許多年的發(fā)展，研究出了多種成熟有效的選線方法，將這些選線方法成功運用到船舶電網(wǎng)中具有重要的研究價值；

2）單一的選線原理并不能夠?qū)崿F(xiàn)完全適應所有類型的小電流接地系統(tǒng)，所以可以利用智能算法將多種選線方法融合，使各個選線方法互補，提高選線方法的準確性和適用性；

3）現(xiàn)有大多數(shù)接地故障選線技術(shù)還都是通過理論分析，然后在仿真中進行驗證其可行性，將其真正應用于工程實踐中還存在很大的難點；

4）故障錄波裝置已經(jīng)逐漸在船舶電網(wǎng)上配置，它可以在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時自動啟動對系統(tǒng)如電壓、電流、開關(guān)量、高頻信號等關(guān)鍵參量進行記錄，可以在此基礎(chǔ)上結(jié)合信號處理、智能算法開發(fā)故障診斷分析儀實時分析監(jiān)測船舶電網(wǎng)。