船舶中壓直流系統接地保護研究

靳攀峰，畢大強，孟遂民

（1. 三峽大學，湖北宜昌 443002；2. 清華大學，北京 100084）

船舶中壓直流系統接地保護研究

靳攀峰1，畢大強2，孟遂民1

（1. 三峽大學，湖北宜昌 443002；2. 清華大學，北京 100084）

由于船舶中壓直流電網的特殊性，現有差動保護和變流器保護不能滿足整個系統保護的可靠性要求。本文以一種船舶中壓直流系統為例，研究了中性點高阻接地方式的接地故障特性，分析了差動保護方案和變流器保護的不足，提出了通過電子式電流互感器進行測量的零序差動和特征頻率電壓接地保護方案，提高了保護靈敏度。通過SIMULINK仿真分析驗證了該保護方法具有可行性。

船舶 中壓直流系統 接地故障 差動保護

0 引言

船舶向著大型化、高速化、多功能化方向發展，而船舶系統容量的增大給傳統低壓電力系統帶來了一系列問題：故障短路電流增加、網絡結構復雜、線路損耗大[1]。因此，提高供電系統的電壓等級成為電站向大容量發展的方向。雖然中壓交流系統具有設備維修量少、安全性高、線路損耗小等優點[2]，但交流電制也存在一些固有矛盾，增加了實際應用中的難度，主要有：減少干擾諧波、發電機嚴格同步、無功功率治理、交流電源電制轉換不易。

當采用直流電制，或至少將輸配電部分改為直流時，以上問題迎刃而解。因此，直流電制成為船舶電力系統發展的新方向[3]。直流區域配電系統核心思想是電能的傳輸和分配以直流為主，在用戶端進行電能的變換。與交流系統相比，船舶直流系統具有更好的穩定性、抗干擾能力強、對于非線性負載有免疫能力、有良好的能量利用率、在維護重要負載持續供電方面、網絡重構實現更加容易[4]。

然而，對于綜合電力系統中獨特的中壓直流配電網絡，目前還沒有形成較成熟的保護理論體系，但由于該網絡結構的特點，在直流網絡中差動保護可能成為基礎保護[5]。針對直流母線短路故障，差動保護比瞬時保護具有更優的選擇性[6]；高速限流重合閘裝置保護方法對于短路故障選擇性較好[7]。對于逆變側故障通過逆變器控制信號關斷器件，限制短路電流，隔離故障[8]。針對船舶直流電力系統過流保護提出采用電壓源變流器方案，電壓源變流器在故障時利用控制信號將交流側短接引起交流斷路器跳閘進行保護[9]。但是，已有研究均未明確中性點接地方式，對于中性點高阻接地系統，接地故障時，短路電流變化小，甚至低于互感器的測量誤差，使保護靈敏度和可靠性降低。本文以一種船舶直流系統結構為例，分析了接地故障特性，提出了接地保護方案，通過仿真研究了該保護方案的可行性。

1 系統結構

船舶中壓電力系統的接地方式分為中性點絕緣接地、中性點高阻接地、中性點低電阻接地和中性點直接接地[10]。

對于采用中性點直接接地的系統，當系統發生接地故障時，整個系統會立即脫扣，這對配電設備是非常安全的，但整個電力系統會處于斷電狀態。而采用中性點絕緣系統，整個系統不會發生脫扣，可以繼續“帶病”工作，對于電力系統相對安全，但不利于故障線路的自動檢測。中性點經高阻接地系統，不僅限制了接地故障電流，提高了系統安全性，而且也利于故障線路的自動檢測。

本文所研究的中壓直流系統結構如圖1所示，多相發電機經整流器向系統供電，整流得到1500 V電壓，進線母線額定電流為2000 A，電源中性點經100 Ω電阻接地，電能通過進線母線輸送到1500 V直流匯流排，再通過饋線母線經3相H橋逆變器向推進電機供電以及直流負載供電。24脈波不可控整流器如圖2所示，由4個6脈波整流器并串聯組成[11]。單相H橋逆變器如圖3所示，3個單相逆變器并聯，同時把調制波相位超前或滯后120°可構成3相H橋逆變器。

圖1 系統結構圖

圖2 整流器結構圖

圖3 單相逆變器結構圖

2 接地保護原理及仿真實例分析

2.1 直流母線接地保護

直流進線母線采用差動保護，為了減小電流互感器（CT）傳變誤差以及系統不平衡電流的影響，差動保護特性常采用兩折線特性或多折線特性。其動作特性的曲線是過原點的直線，為線性制動特性，制動系數為常數，各支路的制動特性無區別，因此可以統一計算制動電流[12]。為保證有足夠的靈敏度，差動電流值應按照大于各CT最大誤差值，而小于母線發生各種類型短路的最小總短路電流來進行整定。

采用電子式電流互感器（ECT）進行測量，具有較高精度，參照IEC60044-8標準，在一次電流值為10%～120% In的測量范圍內，測量誤差小于0.2%，在120%～400% In測量范圍內的誤差小于0.5%。假設選用一次電流值為4000 A，系統在額定負載運行時，進線母線額定電流為2000 A，測量處的電流在10%～120% In，故此時互感器的測量誤差為2000×0.2%=4.0 A。

當進線母線發生接地故障時，如圖4所示（1個直流電源代表1個6脈波整流器），采集正極性進線母線兩端電流分量，由于受中性點電阻的影響，故障電流為750÷100 =7.5 A，進線母線電流變化7.5 A，過渡電阻為90 Ω。故差動保護靈敏度低、可靠性差。

為提高保護靈敏度，可以采用直流零序差動保護，本文選用電流互感器一次側電流值為50 A，則最大測量誤差僅為50×0.2%=0.1 A。簡化電路如圖5所示，短路點K1、K2分別為正母線、負母線接地故障，is1、is2分別為直流母線首末端差動電流，當3.0 s時，進線正母線發生短路接地故障，is1、is2流入故障點K1；進線負母線發生短路接地故障，is1、is2流出故障點K2。差動電流波形如圖6所示，差動電流值Id=is1+is2分別為7.5 A和-7.5 A（短路點流入大地的方向為正），故障時刻電流沖擊是由于逆變器輸入端電容的充放電造成的。負母線短路時，中性點電流波形如圖7所示，最大零序電流Io.max為7.5 A。

圖4 正母線短路接地電路圖

圖5 母線短路接地電路圖

圖6 差動電流波形

正母線短路接地故障的判據為：

圖7 負母線接地短路時中性點電流波形

負母線短路接地故障的判據為：

為防止差動保護在外部短路時誤動，動作電流門檻Id0按躲過發生接地短路故障時產生的最大不平衡電流計算：

式中Kk為可靠系數，Kk取1.3～1.5；fi為電流互感器幅值誤差，fi取0.1；I0.max為故障時零序電流最大值，所以

斜率k取0.6，當3.0 s時母線發生接地短路故障，繼電器監測到|Id|滿足此判據，再通過Id的方向可以判斷是哪條母線故障，由于故障時各負載電壓電流幾乎無變化，故繼電器發出警報信號，校驗靈敏性，過渡電阻為1500 Ω，差動電流達到門檻值1.1 A。

2.2 逆變側接地保護

逆變是通過半導體功率開關器件的開通和關斷作用，實現把直流電能變換成交流電能。以A相為例，T1、T2、T3、T4的驅動信號由正弦波和高頻三角波（1000 Hz）瞬時相比較確定。圖4中濾波電感L與濾波電容C構成輸出低通濾波器，R為考慮濾波電感L的等效串聯電阻、死區效應、開關管導通壓降、線路電阻等逆變器中各種阻尼因素的綜合等效電阻。逆變側負載短路接地故障發生在逆變側濾波器與推進電機之間的線路上，監測中性點特征頻率電壓峰值。

正常情況下，由于整流脈動的影響，系統中性點的電壓有不平衡分量，且主要是直流分量，諧波1000 Hz電壓分量的幅值為0.2 V。當逆變側負載接地故障時，逆變的交流電流通過大地和中性點電阻形成回路，如圖8所示，逆變器側的高頻交流分量（主要是逆變器開關頻率1000 Hz）疊加到中性點電阻上，使其電壓發生變化。根據奈奎斯特定理，采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，要求采樣頻率為信號最高頻率的2倍。當3.0 s發生接地故障時，通過FFT分析得出兩種故障下中性點1000 Hz電壓波形的峰值，中性點電壓波形如圖9所示，中性點1000 Hz電壓最大值為736 V。

通過監測中性點1000 Hz電壓的峰值|U|，其動作判據：

Uset大于正常時特征頻率電壓峰值、電壓互感器誤差及切除各種短路故障導致中性點1000 Hz電壓分量峰值的最大值，且小于各種接地短路時的特征頻率電壓峰值。選用準確度為0.2級的電子式電壓互感器，最大誤差為736×0.2%=1.5 V。穩態切除故障時，中性點1000 Hz電壓峰值見表1。

所以Uset按切除各種短路故障導致中性點1000 Hz電壓分量峰值的最大值1.5倍整定，即0.6×1.5=0.9 V；延時時間為1.0 s，啟動中央報警、事件記錄、故障錄波。校驗靈敏度，過渡電阻Rg=50 kΩ。

3 結語

船舶中壓直流網絡有其自身的特點，針對中性點高阻接地系統的接地故障，采用零序差動保護的方法，提高了保護的靈敏度和可靠性。

逆變側接地故障采用特征頻率（逆變器開關頻率）電壓峰值保護，其保護具有較高的靈敏度。通過SIMULINK仿真，驗證了保護方案的可行性。

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Research on Grounding Fault Protection for Shipboard Medium Voltage DC System

Jin Panfeng1，Bi Daqiang2，Meng Suimin1

(1. China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China; 2.Tsinghua University, Beijng 100084, China）

Because of the particularity of the shipboard medium voltage DC power grid, differential and inverter protection can not meet the reliability requirements of total system protection. Based on a shipboard medium voltage DC system, grounding fault characteristics of the neutral point grounding by the high resistance is researched, and the disadvantage of differential protection and inverter protection is analyzed, thus the grounding protection scheme of the zero sequence differential protection and the characteristic frequency voltage protection via electronic current transformer (ECT) are proposed, and the sensitivity of protection is improved in this method. The simulation analysis validates the feasibility of protection methods by SIMULINK.

ship; medium voltage DC system; grounding fault; differential protection

TM744

A

1003-4862（2013）05-0004-04

2012-09-03

三峽大學碩士學位論文培優基金（2012PY037）

靳攀峰（1985-），男，碩士研究生。研究方向：電力系統保護與控制。