船舶環(huán)形配電網(wǎng)電流保護加速動作方法研究

張芳，畢大強，曾祥君，曾憲敏

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船舶環(huán)形配電網(wǎng)電流保護加速動作方法研究

張芳1，畢大強2，曾祥君1，曾憲敏1

（1. 智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室，長沙理工大學(xué)，長沙 410076；2. 電力系統(tǒng)國家重點實驗室，清華大學(xué)電機系，北京 100084）

在無通道保護方法的基礎(chǔ)上，提出了一種適應(yīng)于船舶環(huán)形配電網(wǎng)的電流保護加速動作的方法。該方法利用故障發(fā)生和線路一側(cè)斷路器跳閘引起的另一側(cè)支路電流變化，和該變化所具有的時間特性來判斷故障區(qū)間，來實現(xiàn)故障線路兩端保護的相繼速動。實例仿真分析驗證了該方法的可行性。

船舶 環(huán)形配電網(wǎng) 加速動作

0 引言

隨著船舶容量的增大，自動化水平的提高，供電連續(xù)性成為衡量船舶電力系統(tǒng)生命力的重要指標之一[1]。由于環(huán)形配電網(wǎng)中的設(shè)備從線路的兩個方向獲得電源，具有較高的供電連續(xù)性，從而在船舶電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其保護研究一直處于起步階段。

傳統(tǒng)的時限配合保護對電源附近的故障切除時間長，難以滿足電力系統(tǒng)的需要，所以提高配電網(wǎng)中繼電保護裝置的動作速度成為解決電網(wǎng)可靠性的有效路徑之一。文獻[2-3]采用電流差動保護，能快速切除復(fù)雜供電網(wǎng)絡(luò)中輸電線路和母線短路的故障問題，但差動保護對通信系統(tǒng)有很高的要求，故成本較高。文獻[4]采用無通道保護技術(shù)，操作簡單，對故障判別精確，但不能切除三相對稱故障。文獻[5]的無通道保護中，雖然能夠切除對稱故障，但對于母線上不掛負荷的輸電線路，保護裝置難以判斷故障區(qū)域，具有很大的局限性。文獻[6]為在無分支配電線路無通道保護的基礎(chǔ)上提出的有分支配電線路無通道保護，能夠加速有分支線路的線路故障的保護動作，但只適用于雙電源配電系統(tǒng)的線路保護。

論文在上述無通道保護的基礎(chǔ)上，針對船舶環(huán)形配電網(wǎng)，提出了一組新的加速動作的判據(jù)方法，它利用故障線路一端斷路器動作引起的另一端線路電流突變，和此突變出現(xiàn)的時間來判別故障區(qū)域，以此來實現(xiàn)保護的相繼速動。通過simulink仿真驗證了該方法的正確性與有效性。

1 基本思想與動作判據(jù)

加速動作的基本思想：當船舶環(huán)形配電網(wǎng)線路故障時，對應(yīng)的過電流方向保護根據(jù)時限特性動作，使流過另一側(cè)的短路電流迅速增加。因為相同方向側(cè)不同位置的過電流方向保護的跳閘時間不同，造成另一側(cè)同方向保護安裝處檢測到該突變量的時間不同。因此，另一側(cè)方向繼電器通過故障電流突變量的時間來判斷故障區(qū)域。若為區(qū)內(nèi)故障，則加速另一側(cè)方向保護動作；反之，則不加速。

保護流程圖如圖1所示。

圖1 保護流程圖

加速動作判據(jù)如下所示：

1）啟動判據(jù)：用于判斷短路故障是否存在。

當線路電流大于一個整定值set時，說明故障存在，加速繼電器準備啟動。

2）比值判據(jù)：用于判斷對端斷路器狀態(tài)。

SME評估標準要求評估過程中遵循的基本原則是勝任能力、重要性、客觀性、公開透明和獨立性，其中獨立性原則在某些評估標準或規(guī)范中是不要求的，但通常情況下，鑒于礦產(chǎn)資源資產(chǎn)評估要求評估師具有完全獨立性，因此SME評估標準中規(guī)定了獨立性原則。

其中，為采樣時刻，為周期數(shù)；I，(k-n)分別表示相隔個周期的電流采樣值。上式理解為：正常運行時，比值判據(jù)的值為1；若超過一定的閥值，則判斷對端保護動作。本文取=3，考慮到可靠性，的閥值選擇為1.1。

3）時間判據(jù)：用于判斷故障區(qū)域。

故障和操作都會使流過加速保護的電流發(fā)生變化，為了提高保護的可靠性，應(yīng)對加速保護設(shè)置一個加速時段。所謂加速時段是指只有在特定時間段內(nèi)滿足上述兩個判據(jù)，無通道保護才可以被加速。否則，不能加速。

加速時段的設(shè)定原則是：加速斷路器動作應(yīng)該伴隨著另一端傳統(tǒng)斷路器的動作，這樣，加速時段的起點時刻是對端保護動作時間。考慮斷路器分斷和熄弧時間(10~60 ms)、加速保護本身的計算與判斷時間(約20 ms)以及裕度(20 ms)，該加速時段可以選擇為100 ms左右[6]。

2　實例分析

通過結(jié)合具體的船舶環(huán)形配電網(wǎng)，進一步說明保護原理和判據(jù)的作用。圖2為船舶電力系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，包括兩臺船舶電站、兩臺主推電機、若干負載、方向過流保護R1~R12和電纜。為保證重要負荷的供電連續(xù)性，電機均連接于主配電板上。其中，電纜長度分別為1=2=3=4=5=6=0.05 km。

圖2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

加速保護時段的整定值，是和線路對端繼電器過電流保護的時間整定值相對應(yīng)，本例中整定為其后的100 ms內(nèi)。如繼電器R1和R12處無通道保護加速時段的整定范圍是0.1 s～0.2 s；繼電器R2和R11處無通道保護加速時段的整定范圍是0.5 s～0.6 s；繼電器R3和R10處無通道保護加速時段的整定范圍是0.9 s～1.0 s。

表1 保護配置和時間整定

例如，當線路L2上發(fā)生短路故障時(設(shè)故障點為f2)，根據(jù)方向性原則，保護R1、R2、R8、R9、R10、R11、R12將檢測出故障信號。按照過電流保護時間整定原則，保護R8在0.5 s時最先跳閘，則故障與線路L3～L6隔離。R8跳開后，R1和R2在0.5 s～0.6 s內(nèi)檢測到比值判據(jù)大于定值。對R2而言為區(qū)內(nèi)故障，從而R2在0.6 s左右加速跳閘，實現(xiàn)保護動作的快速性。因此，通過線路電流突變量的時間來區(qū)分故障區(qū)域，實現(xiàn)相繼速動的方法大大縮短了切除故障的時間。

特別的，當故障發(fā)生在分配電板上或者無通道故障失效時，無通道過流保護裝置也會自動轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的過電流保護，其動作時間特性見表１。

3 仿真分析

通過對圖2環(huán)網(wǎng)進行仿真，分析比較點f1、f2和f3故障時，保護R1、R2和R3的響應(yīng)情況。其中，設(shè)短路點f1、f2和f3分別為L1、L2和L3的中點。

3.1 線路L3發(fā)生A相短路故障

線路L3在0s時發(fā)生A相短路故障，保護R1、R2、R3、R9、R10、R11和R12檢測到故障信號，根據(jù)過電流保護時限特性，R9在0.9 s時最先跳閘，線路L4、L5和L6與故障隔離，R10、R11和R12將恢復(fù)至初始狀態(tài)。圖3為加速保護R1~R3的響應(yīng)情況。

從圖3可知，單相短路故障后，故障相電流迅速增大，滿足啟動判據(jù)。當R9跳閘后，流過R1~R3的故障相短路電流發(fā)生突變，在0.9~1.0 s內(nèi)檢測到比值判據(jù)大于閥值。

仿真結(jié)果表明保護R3在其加速時段內(nèi)檢測到比值判據(jù)大于閥值，同時啟動判據(jù)大于整定值，認定故障為區(qū)內(nèi)故障，保護R3加速動作，在1.0 s左右隔離故障線路，比傳統(tǒng)過電流保護快0.3 s；而保護R和R2在其對應(yīng)的保護加速時段內(nèi)比值判據(jù)為1，因而認定故障是區(qū)外故障，保護不動作。

圖3　線路L3發(fā)生A相短路A相仿真結(jié)果圖

3. 2 線路L2發(fā)生AB兩相短路故障

線路L2在0s時發(fā)生AB兩相短路故障，保護R1、R2、R8、R9、R10、R11和R12檢測到故障信號，根據(jù)過電流保護的動作時限特性，R8在0.5 s時最先跳閘，線路L3、L4、L5和L6與故障隔離，R9、R10、R11和R12將恢復(fù)至初始狀態(tài)。圖4為加速保護R1和R2的響應(yīng)特點。

由于AB兩相波形一致，故此處只列舉了A相響應(yīng)波形圖。從圖4可知，AB兩相短路故障后，流過各加速保護的電流迅速增大，滿足啟動判據(jù)式1)。當R8跳閘后，流過R1和R2的短路電流迅速增大，在0.5~0.6 s的一段時間內(nèi)檢測到比值判據(jù)大于閥值。

圖4線路L2發(fā)生AB兩相短路A相仿真結(jié)果圖

仿真結(jié)果顯示繼電器R2在保護加速時段0.5 ～0.6 s內(nèi)檢測到比值判據(jù)大于定值，同時啟動判據(jù)大于定值，因而認定故障是區(qū)內(nèi)故障，保護R2加速動作，在0.6 s左右隔離故障線路，比傳統(tǒng)過電流保護快1.1 s；而繼電器R1處仿真情況顯示，在其保護加速時段的整定范圍內(nèi)，比值判據(jù)小于1，因而認定故障是區(qū)外故障，保護R1不動作。R8跳閘后使R3與故障區(qū)域隔離，因此R3恢復(fù)至初始狀態(tài)。

3.3 線路L1發(fā)生ABC三相對稱短路故障

線路L1在0 s時發(fā)生短路故障，保護R1、R7、R8、R9、R10、R11和R12檢測到故障信號，根據(jù)過電流保護的動作時限特性，R7在0.1 s時最先跳閘，線路L2、L3、L4、L5和L6與故障隔離，R8、R9、R10、R11和R12將恢復(fù)至初始狀態(tài)。圖5為加速保護R1的響應(yīng)特點。

由于ABC三相波形一致，故此處只列舉了A相響應(yīng)波形圖。從圖5可知，短路故障后，流過加速保護的電流迅速增大，滿足啟動判據(jù)式1)。當R7跳閘后，流過R1的短路電流迅速增大，在0.1～0.2 s內(nèi)檢測到一定大小的比值判據(jù)。

仿真結(jié)果表明繼電器R1在其保護加速時段內(nèi)檢測到比值判據(jù)大于定值，同時啟動判據(jù)大于定值，因而認定故障是區(qū)內(nèi)故障，保護R1加速動作，在0.2 s左右隔離故障線路，比傳統(tǒng)過電流保護快1.9 s；而R7跳閘后使R2和R3與故障區(qū)域隔離，因此R2和R3恢復(fù)至初始狀態(tài)。

圖5 線路L1發(fā)生ABC故障時R1的A相響應(yīng)波形圖(區(qū)內(nèi)故障)

4 結(jié)論

本文在無通道保護的基礎(chǔ)上提出了一種電流保護加速動作的新方法。該方法原理簡單，無需專門的通信通道，且不受線路上負荷大小的影響。只需利用一端斷路器跳閘后引起另一側(cè)支路短路電流的變化量和保護的加速時段，來決定斷路器是否加速動作。仿真表明，該方法能有效提高線路保護的動作速度，特別是對于電站附近的故障，保證了重要負載的供電連續(xù)性。

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Research on Accelerated Action Method of Current Protection for Shipboard Loop Power Distribution Systems

Zhang Fang1, Bi Daqiang2, Zeng Xiangjun1, Zeng Xianmin1

（1. China School of Electrical & Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China; 2. State Key Lab of Power System, Dept of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijng 100084, China)

TM773 U66

A

1003-4862（2014）08-0005-04

2014-01-06

張芳（1988-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)保護與控制。