艦船配電網絡短路故障快速定位及協同保護策略

張 濤，黃 靖，賀慧英，周仕萬

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艦船配電網絡短路故障快速定位及協同保護策略

張 濤，黃 靖，賀慧英，周仕萬

(海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033)

本文對同步發電機三相短路的短路電流變化率表達式進行了數學推導，分析不同短路條件下，短路電流初始變化率隨系統參數，短路點位置及短路合閘角變化的規律，在此基礎上，提煉出判斷短路故障的方法。提出一種基于協同策略的船舶配電網絡選擇性保護方法，該方法將這些分散的保護裝置有機地聯系起來，對提高船舶配電網絡保護的有效性具有重要意義。

艦船 短路故障 快速定位 協同保護

0 引言

本文提出一種艦船配電網絡短路故障快速定位及協同保護策略，將保護裝置設計為具有故障電流檢測、電流上升率計算和協同處理功能的智能體結構。分析了基于短路電流變化率的故障定位原理，提出協同原理保護策略，給出了保護裝置協同動作關系及一般原則。針對三級配電網絡，給出每一級保護裝置的具體協同策略。完成了基于協同策略的艦船配電系統保護裝置結構方案設計和實驗硬件平臺的搭建。實驗結果驗證了短路故障快速定位和協同保護策略及硬件設計的有效性。

1 基于電流變化率的短路故障快速判斷方法

其中：

考慮短路時刻電動機向短路點饋流影響，將標幺值系統轉化為實際值系統得：

計算出最小運行工況下，ABC三相初始上升率中最大短路上升率的最小值。計算公式為：

最大運行工況下，ABC三相初始上升率中最大短路上升率的最大值。計算公式為：

由最小運行工況下的MAX可以求出Max，由最大運行工況下的MAX可以求出Max。

圖1 最小運行工況短路電流計算電路

圖2 最大運行工況短路電流計算電路

綜合考慮ABC三相設定短路電流上升率整定值。為確保短路電流上升率診斷靈敏性和可靠性，考慮到正常工作下，噪聲的干擾等因素，結合ABC三相短路初始電流上升率，選取Max作為短路故障整定值，大于Max即可認為是干擾。這樣可以在短路初始時刻就能很好地診斷出短路故障，大大縮短了短路故障診斷時間。

2 基于多機通信的短路故障定位原理分析

為了將繼電保護系統這樣一個分布式的離散結構有機結合起來，本文把保護系統中的每一個保護器件設計成相應的智能節點，這些智能節點具有檢測功能、故障保護整定功能、通信功能和協同保護功能。

在通信中，首先給通信中的每一個保護裝置分配一個唯一的地址。然后定義通信信息為三種數據狀態：第一種數據狀態為數值“2”，表示判定結果為出現短路故障；第二種數據狀態為數值“1”，表示判定結果為未出現短路故障；第三種數據狀態為數值“0”，表示未接收到下級保護裝置數據。所有通信數據由下往上級聯發送。

圖3 三級單片機通信模型

定義保護裝置之間通信數據，利用通信數據實現短路故障定位。在圖3中，三級保護裝置位于配電網絡末端，只要三級保護裝置檢測到短路故障，則確定為該保護裝置末端短路。二級保護裝置檢測到短路故障并接收三級保護裝置數據，數據為“2”則故障出現在三級保護裝置以下；數據為“1”則短路故障出現在二級保護裝置和三級保護裝置之間；數據為“0”，表示二級保護裝置未接受到三級保護裝置數據，認為三級保護裝置已損壞，則短路故障出現在二級保護裝置以下。一級保護裝置檢測到短路故障并接收二級保護裝置數據，數據為“2”則故障出現在二級保護裝置以下；數據為“1”則短路故障出現在一級保護裝置和二級保護裝置之間；數據為“0”，表示一級保護裝置未接受到二級保護裝置數據，認為二級保護裝置已損壞，則短路故障出現在一級保護裝置以下。

3 基于通信協同的選擇性保護策略

對艦船交流電力系統配電網拓撲結構進行分析，如圖4所示，保護裝置通過通信將判斷結果發送給上級保護裝置，同時接收下級保護裝置判斷結果，完成了自身電流檢測、故障判斷和故障定位。

每級保護裝置動作依據主要包括兩項：一是保護裝置本級的檢測判斷結果；二是接收到的下級保護裝置數據，下級保護裝置數據由故障判斷結果和動作狀態。保護裝置動作原則：本級檢測、計算、判斷出短路故障時，接收下級保護裝置故障判斷結果，根據前一節故障定位原理，決定本級保護裝置是否動作切除故障。

圖4 三級船舶輻射型配電網絡

下面給出三級配電網中保護裝置的協同策略，以二級為例。

二級保護裝置協同策略：保護裝置S2自身檢測出短路故障，還需要接收S4和S5的判定結果，然后根據前面的故障定位原理，完成故障定位。再結合自身檢測判定結果做出動作決策，并將檢測判定結果和動作決策發送給一級保護裝置。二級保護裝置S2動作策略如表2所示。

表2 保護裝置S2動作決策

4 保護裝置結構設計

檢測及保護整定計算功能，是保護裝置利用電流傳感器對流過保護安裝點的電流進行檢測，檢測到的電流經過A/D轉換器送給智能模塊，智能模塊完成對接收到的電流進行上升率計算和分析并做出故障判定；利用通信功能保護裝置將判斷結果和自身動作狀態發送給上級保護裝置，同時接收下級保護裝置判斷結果和動作狀態，保護裝置的智能模塊綜合上下級保護裝置的判斷結果與自身判斷結果做出故障定位和切除動作，協同處理實現選擇性保護。保護裝置整體結構如圖5所示。

圖5 保護裝置整體結構

電流檢測模塊主要是將船舶配電網絡中流過保護裝置的電流轉換成可供讀取的小電流信號，再將電流轉換為電壓信號。本文主要是針對短路故障進行檢測與保護，短路時流過保護裝置的電流較大，為滿足檢測和控制需求，且不影響配電網絡工作，采用霍爾傳感器檢測配電網絡中的電流。為滿足計算整定、快速判定故障和多機快速通信，單片機處理模塊選擇32位處理ARM單片機LPC1768，CAN總線支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡。

為實現上下級保護裝置判斷結果快速通信，滿足保護裝置一對多的通信協同處理。本文選擇具有多主通信方式、較高抗干擾性和較好實時性的CAN總線通信，完成保護裝置之間的多機通信。

5 基于通信協同策略的選擇性保護方法實驗驗證

實驗目的：驗證基于通信協同策略的選擇性保護方法能否實現選擇性，保護裝置之間通信協同策略實現的快速性。實驗主要從短路電流獲取、AD轉換和通信實現選擇性切除短路故障三個方面進行。

5.1實驗電路

選擇性保護二、三級保護裝置系統電路如圖6所示，圖中S2和S4分別為前面定義的二級、三級保護裝置的代表，KM為短路接入控制接觸器，主要控制突加短路故障。保護系統利用電流傳感器對電流數據進行采集，利用4個電流傳感器，對B相和C相電流進行采集，由i=-(i+i)計算得出A相電流，電流傳感器型號為：LMK（BH）-0.66CT，變比為900 A/5 V，電流電壓轉換電阻為10 Ω。發電機組為單臺模擬同步發電機，容量為：5 kVA，額定電壓380 V，額定電流12.55 A。由于實驗條件有限，同步發電機不能反復進行短路實驗，本實驗通過突加大負載的方式模擬短路。利用在四分之一周期內短路電流和突加大負載相似特點，模擬短路電流，來驗證基于電流上升率的整定，不影響整個基于通信協同策略的選擇性保護系統功能實現。

圖6 三級艦船輻射型配電網絡

短路前系統工作狀態：S2和S4主接觸器合閘接通，KM接觸器斷開，流過保護裝置S2和S4電流為0，四個傳感器檢測電流為0。

系統短路工作狀態：KM合閘，接入短路故障，短路電流流過保護裝置S2和S4，四個傳感器檢測到短路電流。S2和S4按照通信協同策略切除故障。選擇性保護系統實物圖如圖7示。

5.2 實驗數據及分析

實驗中短路前為空載，流過霍爾電流傳感器的電流為0；短路后流過霍爾傳感器的電流為短路故障電流。

末端短路，二、三級保護裝置短路故障通信和S4切除故障波形如圖8所示。圖中四條波形，第①條為A相電流波形，第②條為二、三級保護裝置通信狀態波形，第③條為三級保護裝置S4輸出的脫扣器動作控制信號，第④條為二級保護裝置S2輸出的脫扣器動作控制信號。

圖7選擇性保護系統實物圖

(a)故障電流切除波形

(b)局部放大圖

由A相電流波形可見，電流峰值為20.42 A，初始電流上升率達到15.70 A/ms。針對本實驗系統，S4和S2上升率動作判據整定值為14.85 A/ms。

圖8（b）中，1為短路初始時刻至三級保護裝置S4輸出脫扣器動作控制信號的間隔時間，約為400。在1時間段內二、三級保護裝置S2和S4同時完成了電流檢測和上升率故障判斷，且三級保護裝置S4按照動作策略，直接輸出了脫扣器動作控制信號，觸發斷路器跳閘。2為S4輸出脫扣器動作控制信號至二、三級保護裝置S2和S4完成通信的間隔時間，約為1。在完成通信之后S2根據協同策略得出不動作的判斷結果，因此，未輸出脫扣器動作控制信號，即圖中第④條波形未出現下跳沿。由此說明，保護系統完成了故障檢測、故障檢測、計算整定、通信協同決策到脫扣器控制信號輸入，驗證了末端短路時，保護系統通信協同策略的正確性和有效性。

6 總結與展望

針對艦船配電網絡在大短路電流下常出現上下級保護裝置同時跳閘的問題，提出一種艦船配電網絡短路故障快速定位及協同保護策略。完成基于短路電流變化率快速判斷短路故障方法。完成了基于通信協同策略的船舶配電系統短路故障點位置確定以及保護裝置結構方案設計和實驗硬件平臺搭建。

實驗驗證了本文提出的艦船短路保護策略的正確性和有效性。在以下幾個方面可開展進一步研究。1）在保證檢測判斷正確的前提下，希望能夠提高通信處理速度，可進一步開展采樣速率和脫扣器響應速度兩方面的研究，來提高整個保護系統的處理速度。2）希望進一步找到一種響應時間快的繼電器和接觸器來提高故障分斷的快速性。

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The Strategy of Fast Short Circuit Fault Locating and Coordinated Protection of Ship Distribution Network

Zhang Tao, Huang Jing, He Huiying, Zhou Shiwan

（College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China）

TM713

A

1003-4862（2016）10-0023-05

2016-08-02

張濤(1991-)，男，研究生。專業方向：電力系統及安全運行。