船舶環形配電網電流保護研究

竇曉峰，劉文達

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

船舶環形配電網電流保護研究

竇曉峰，劉文達

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

分析了船舶電力推進配電發展現狀，介紹了艦船電力推進環形配電網的方向性過流保護相關內容，為后續的研究提供了參考。

船舶電力推進系統 環形配電網 方向性過流保護

0 引言

隨著船舶電力推進系統的不斷發展，對于船舶電站的要求也越來越高，因此出現了一種船舶配電網絡—環形配電網，它能夠滿足船舶電力推進所需要的穩定性和可靠性。環形配電網具有可靠性高、生命力強的優點，因此對環形配電網的探討研究具有十分重要的意義。

傳統的樹形配電網，它的供電可靠性比較低，當母線處出現短路故障時，使得故障點后的負載全部失電。而環形配電網就能很好的解決這個問題，在環形配電網中每一個用電設備都能從兩個線路得到電能，因此當其中一個線路發生故障，不會導致設備失電，從而提高了配電網供電可靠性。

文獻[1]討論船舶電力推進系統的發展現狀，文獻[2][3]討論環形配電網的供電可靠性，文獻[4]討論供電系統的過流保護。本文討論船舶環形配電網的方向性過流保護，將方向性過流保護引入環形配電網，能夠滿足環形配電網電流保護的要求，并通過仿真驗證方法的正確性。

1 環形配電網方向性過流保護

1.1 傳統電流保護

傳統電流保護是由電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過流保護三個部分組成，即為三段式保護。電流速斷保護只能保護一部分線路，限時電流速斷保護可以保護線路全長，但不能為相鄰線路提供后備保護，而定時限過流保護可以為本條線路和相鄰線路提供后備保護。

近年來，隨著各國海軍對艦船電力系統穩定性、可靠性的要求越來越高，使得艦船綜合電力推進技術得到快速發展。綜合電力推進技術將環形配電網應用到船舶中，可以對全船的能源進行統一管理、綜合利用、有效分配。在環形配電網中，傳統的三段式保護將不能滿足選擇性的保護要求。如圖1、圖2所示。

圖1 K1點短路故障

圖2 K2點短路故障

對過電流保護而言，若K1點發生短路，且t2＜t3，則會導致保護2發生誤動作；若K2點發生短路，且t3＜t2，則會導致保護3發生誤動作。

要保證保護2與保護3同時不發生誤動作，即要求t2＜t3且t3＜t2，這是無法做到的。所以，需要在傳統三段式保護基礎上做出改進才能滿足環形配電網的保護性要求。假定短路功率從母線流向線路為正方向，那么可以得到當發生誤動作時，其短路功率為反方向，因此將方向性過流保護引入環形配電網。方向性過電流保護是在原有過電流保護基礎上加裝功率方向元件，并且設定功率為正方向時保護元件動作，而功率為反方向時保護元件不動作。方向性過流保護需要同時滿足3個條件才能動作，分別是：

1) 電流大于動作電流設定值；

2) 功率方向為正；

3) 電流持續時間超過動作時間限定值。

1.2 方向性過電流保護理論

方向性過電流保護是由傳統過電流保護和功率方向元件組成，其核心是功率方向元件。

圖3為功率方向繼電器的接線圖，其中方框表示功率方向元件，設定相量Ur超前相量Ir60°。則有：

當在正方向（K1點）發生短路故障時：φrA=φk=60°；

當在反方向（K2點）發生短路故障時：φrA=180+φk=240°。

即當UrIrcos(φr-φk)＞0時，則故障發生在正方向，功率方向元件動作；當UrIrcos(φr-φk)＜0時，則故障發生在反方向，功率方向元件不動作。

若功率方向元件輸入的電壓和電流不發生變化，則輸出動作量會隨電壓與電流之間的相角φr發生變化，即：Pr=UrIrcosφr。

在正方向短路的情況下，將功率方向元件接成最大靈敏角φsen，此時輸出動作量最大，元件的動作也最迅速。即在正方向（K1點）發生短路故障時，動作輸出量UrIrcosφr最大，UrIrcos(φr-φk)=UrIrcos0°=UrIr。

此時φr=φk=φsen，其中φk代表線路的阻抗角，一般情況下，線路的阻抗角即為該線路的最大靈敏角。因此，可以得到φr的范圍為：

圖3 功率方向繼電器接線圖

1.3 方向性過流保護方法

方向性過流保護主要是由功率方向判別元件來實現，它分為信號形成、信號移相、濾波、信號轉化、方向判別、輸出六個部分，其構成框圖如圖4所示。

功率方向元件最關鍵的部分是方向判別，它的作用是判斷電流信號與電壓信號方向是否相同。當功率方向元件的輸出為1，說明電流信號和電壓信號方向相同，則功率方向元件動作；當輸出為0，說明電流信號和電壓信號方向相反，則功率方向元件不動作。由于電路中電流會發生波動，會出現短時過流情況，因此要求方向功率元件具有延時功能，不能因為電流短時過高而動作，同時延時不能超過一個周期，否則導致誤判。

圖4 功率方向元件構成框圖

表1 故障時移相角α的取值范圍

2 仿真驗證

首先，確定移相角α的取值范圍。

3 結語

本文利用方向性過流保護的方法對船舶環形配電網供電保護進行研究，最后通過仿真驗證了該方法具有良好的過電流保護性能，能保證整個電力系統安全運行，對船舶電力推進系統安全運行具有理論意義和實際參考價值。

[1] 馬偉明. 艦船動力發展的方向-綜合電力系統[J]. 海軍工程大學學報, 2002, 14(6)∶ 1-6.

[2] 尚成枝, 王德明, 朱志宇. 艦船環形區域配電結構及可靠性分析[J]. 船電技術, 2009, 29(1)∶ 38-39.

[3] 霍綜斌, 劉維亭, 梁世清. 艦船環形區域配電網絡結構可靠性分析[J]. 艦船科學技術, 2008, 30(5)∶29-31.

[4] 侯計兵. 電力系統反時限過流保護優化整定計算研究[D]. 武漢∶ 華中科技大學, 2011.

Current Protection for Shipboard Loop Power Distribution System

Dou Xiao Feng，Liu Wen Da

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

The development of ship's electric propulsion power distribution is analyzed, the directional over-current protection of shipboard loop power distribution system is introduced, which provides reference for study.

marine electric propulsion system; loop power distribution system; directional over-current protection

TM773

A

1003-4862（2015）08-0048-03

2015-04-21

竇曉峰（1990-），男，助理工程師。研究方向：電力系統及其自動化。