經(jīng)電阻接地的直流電力系統(tǒng)接地故障保護方法

張青云，馬 凡，江漢紅

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430033)

經(jīng)電阻接地的直流電力系統(tǒng)接地故障保護方法

張青云，馬 凡，江漢紅

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430033)

中性點經(jīng)電阻接地方式的直流電力系統(tǒng)在發(fā)生單極對地故障后，雖然系統(tǒng)仍可繼續(xù)運行，但若不盡快實施保護動作、隔離接地故障，容易引起二次故障、甚至出現(xiàn)正負極直接短路等嚴重故障。為了解決一種經(jīng)電阻接地的直流電力系統(tǒng)接地故障檢測及其定位保護的難題，提出了基于附加接地電阻的直流電力系統(tǒng)接地故障定位保護方法。通過PSCAD∕EMTDC時域仿真，驗證了該方法的有效性。

直流電力系統(tǒng) 接地故障檢測 接地故障保護 附加接地電阻

0 引言

直流系統(tǒng)接地技術(shù)是電力系統(tǒng)的一項關(guān)鍵研究內(nèi)容[1,2]，合理的接地方案和有效的接地故障檢測與保護策略將直接關(guān)系到直流電力系統(tǒng)設(shè)備的正常運行和操作人員的人身安全[3-5]。為了保障直流系統(tǒng)的安全可靠運行, 必須對其絕緣情況進行連續(xù)監(jiān)測。當發(fā)生接地故障后應(yīng)能及時檢測出故障支路并做出處理。如何準確可靠地檢測接地故障支路是當前直流系統(tǒng)運行中一個主要問題。目前，國內(nèi)外對直流接地故障的檢測與保護主要是采用低頻信號注入法[6-8]，其基本原理是在直流母線和地之間加一低頻交流電壓源，從而產(chǎn)生一低頻交流電流并從中濾波提取出來，根據(jù)低頻交流電壓和電流的數(shù)值, 即可求出直流母線對地電阻的數(shù)值, 根據(jù)低頻交流電流的流遁路徑可以判斷出接地故障所在的支路和故障，但該方法有幾個問題，設(shè)計原則比較復(fù)雜，實施信號的引入會增加額外的設(shè)備，信號的濾波提取也比較復(fù)雜。

針對中性點經(jīng)電阻接地方式的直流電力系統(tǒng)，下文提出了一種基于附加接地電阻的直流電力系統(tǒng)接地故障保護方法。該方法通過接地電阻流過的電流來檢測接地故障。同時，通過附加接地電阻串聯(lián)斷路器的斷開與閉合，比較系統(tǒng)這兩次電流的差值達到對故障定位與保護的功能。

1 接地故障的檢測方法

圖 1 雙機直流電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 接地故障定位與保護方法

當檢測到系統(tǒng)存在接地故障時，閉合接地電阻斷路器BK7，即在原接地電阻R1的基礎(chǔ)上并聯(lián)電阻R2(R2的投入只用于接地故障保護，正常運行情況不投入，因此，不會對系統(tǒng)的長期運行效率帶來影響)使得系統(tǒng)總的接地電阻值減小，因此，接地電阻上流過電流會增加。考慮到系統(tǒng)滿功率穩(wěn)定運行狀態(tài)下，各供電配電支路上的電流值較大，為使得投入附加接地電阻R2后，電網(wǎng)各支路電流的增量容易檢測，R2的取值原則是能使流入接地電阻的電流變化達到百安級。此時，接地電阻電流平均值的絕對值將滿足：

假設(shè)如圖1所示負載3支路正極發(fā)生接地故障后，為實現(xiàn)接地故障保護，投入附加接地電阻R2，接地電阻上電流IR增加的同時，兩臺發(fā)電機輸出電流(如圖1中的Ig1和Ig2)、接地故障支路故障點左邊電流(如圖1中的IL3)穩(wěn)態(tài)平均值也將相應(yīng)增加，其中：接地故障支路電流的增加量滿足：

由于兩臺發(fā)電機采用電壓下垂的勵磁控制方式，它們的輸出電流增量滿足：

式(4)中PG1、PG2分別為直流發(fā)電機1和2的功率。

在故障點由節(jié)點電流可知IL3=IL4-IR(IL4為圖1中接地故障支路故障點右邊電流)而非故障支路的電流(如圖1中的IL1和IL2)將保持不變。

圖 2 中性點經(jīng)電阻接地方式的直流電力系統(tǒng)接地故障保護方法流程圖

圖2給出了上述接地故障保護方法的流程圖，其中ε為小常數(shù)。

表 1 接地保護的時間原則

3 仿真驗證

本文采用如圖3所示的系統(tǒng)運行工況：兩臺直流發(fā)電機并聯(lián)運行向負載1和負載2供電，負載1為推進系統(tǒng)，負載2 為直流區(qū)域變配電系統(tǒng)和交流負載配電系統(tǒng)。下面以此工況為例，通過PSCAD∕EMTDC仿真驗證接地故障保護方法的有效性。

圖 3 直流電力驗證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖 4 F1點發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后系統(tǒng)各支路電流仿真波形

在系統(tǒng)滿功率穩(wěn)定運行后，分別對圖3中的F1-F5共5個位置施加正極接地故障。圖4-8是系統(tǒng)分別在F1-F5點發(fā)生正極接地故障后直流發(fā)電機1輸出電流Ig1-p、直流發(fā)電機2輸出電流Ig2-p、流經(jīng)母聯(lián)斷路器的電流Ibus-p、負載1供電電流Ipm-p、負載2供電電流Icom-p的平均值在投入附加接地電阻R2前后暫態(tài)過程中的仿真波形。表2-6給出了各支路電流在電阻R2投入前、投入后的穩(wěn)態(tài)電流平均值，以及相應(yīng)的電流增量。表7-8分別給出了F1、F2處發(fā)生故障時各斷路器的動作情況，表9給出了F3、F4、F5處發(fā)生故障時各斷路器的動作情況。

圖 5 F2點發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后系統(tǒng)各支路電流仿真波形

圖 6 F3點發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后系統(tǒng)各支路電流仿真波形

圖 7 F4點發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后系統(tǒng)各支路電流仿真波形

圖 8 F5點發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后系統(tǒng)各支路電流仿真波形

表 2 F1點發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后各支路電流

表 3 F2點發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后各支路電流

表 4 F3點發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后各支路電流

表 5 F4點發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后各支路電流

表 6 F5點發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后各支路電流

表 7 F1點發(fā)生正極接地故障后各斷路器的保護動作情況

表 8 F2點發(fā)生正極接地故障后各斷路器的保護動作情況

從圖4-8和表2-6可以看出故障后斷路器的兩次動作會造成系統(tǒng)的電流變化以及各斷路器根據(jù)表7-9進行的保護動作情況可以看出，上述方法可以達到對系統(tǒng)接地故障的檢測和定位保護。

表 9 F3-F5點發(fā)生正極接地故障后各斷路器的保護動作情況

4 結(jié)論

文章提出了一種基于附加接地電阻的直流電力系統(tǒng)的接地故障保護方法。該方法能夠有效檢測接地故障、準確定位接地故障支路，并在操作人員允許的情況下可實施選擇性的接地故障保護。此外，這種接地方法具有原理簡單、選擇性好、各斷路器獨立整定、無復(fù)雜信號處理環(huán)節(jié)等優(yōu)點。

[1] Norbert H.Doerry. NGIPS Technology Development Roadmap[R]. Naval Sea System Command,Set 05D/349, 30 Nov .2007.

[2] 馬偉明. 艦船動力發(fā)展的方向-綜合電力系[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2002, 14(6)∶ 1-5, 9.

[3] 吳平安, 張少海, 易志明.直流系統(tǒng)漏電檢測方法的比較[J]. 華北電力技術(shù), 2003(2)∶ 52-54.

[4] 王琦, 馬偉明, 付立軍, 等. 艦船綜合電力系統(tǒng)繼電保護策略[J]. 高電壓技術(shù), 2007, 33(10)∶ 157-160.

[5] Nicholas Paul Amann. Adaptive overcurrent protection scheme for shipboard power systems[D]. Mississippi State University, 2004.

[6] Jose Marrero. Understand ground fault detection & isolation in DC systems[C]. Power Engineering Society Summer Meeting. Seattle USA.IEEE, 2000 , (3)∶ 1707-1711.

[7] 李冬輝, 蔡旭, 鄒寶蘭. 微機直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)視裝置及測量方法的研究[ J]. 電子測量與儀器學(xué)報, 2000 , 14(3)∶ 37-39.

[8] 蔡旭. 直流系統(tǒng)接地故障檢測新原理及裝置[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報,1998, 25(1)∶ 96-100.

[9] 張次衡, 直流系統(tǒng)接地故障檢測裝置存在的問題[ J].中國電力, 1996, 29(7)：64-66

[10] 方明, 付立軍, 葉志浩, 冀欣. 艦船電力系統(tǒng)保護性能指標計算方法[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報, 2013.

A Method of Grounding Fault Protection in DC Power System with Grounding Resistance

Zhang Qingyun, Ma Fan, Jiang Hanhong
(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Although DC power system with neutral point grounding resistor can continue to run in the event of a unipolar grounding fault, it easily leads to secondary failure, or even positive and negative extremely serious direct short circuit faults without protective action or ground fault isolation. In order to solve the problem of grounding fault detection and location-protection of a DC power system with grounding resistance, the method of grounding fault location protection is proposed based on additional grounding resistance of DC power system. The validity of the method is verified by PSCAD /EMTDC time domain simulation.

DC system; grounding fault detection; grounding fault protection; additional grounding resistance

TM855

A

1003-4862(2015)08-0001-05

2015-04-28

國家自然科學(xué)基金項目（51377167）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（973項目）（2012CB215103）

張青云(1989-) 男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)接地故障檢測與定位。