岸電系統短路電流計算與保護配置研究

余墨多，黃文燾，邰能靈，陳振宇，李瑤虹，楊 斌

（1.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海市 200240；2.國網江蘇省電力有限公司，江蘇南京 210024）

引言

岸電系統作為將岸上電力與船舶相連接的系統，是向船舶進行分配與供給電能的重要環節，屬于電力系統末端的配電系統。在岸電技術方面，現有岸電相關產品的技術完備度逐步提升，適應船用負荷供電應用需求的能力不斷增強，國內上海港、連云港港、深圳蛇口港和寧波港等港口開展了岸電示范工程應用的前期探索。但岸電技術中還存在船舶岸電系統繼電保護配置無標準，保護方案不健全等問題，以工程應用服務為立足的岸電技術體系存在著連接后的保護配置這一關鍵技術需求[1-3]。

在實際的岸電系統中，岸電系統實際運行中，由于船舶類型多樣，存在船岸并網參數匹配困難、保護參數難以整定、保護方案難以配置的問題[4-9]。同時，世界上的船舶電力系統結構多種多樣，形式多變，在電壓等級、工作頻率、網絡結構等方面存在不同的差異[10-11]。為提高岸電系統供電可靠性，須對不同的船舶電力系統的短路電流進行計算分析，為岸電系統繼電保護設計和工程安排提供依據。

本文通過計算船舶岸電系統短路電流，對船舶岸電系統連接后進行了故障分析。船舶短路電流的計算分為了電動機、變壓器、電纜及船岸連接電纜的計算。為了保證船舶岸電系統的安全，提出了一套無需對時的差動保護及改進的電流保護。

1 船舶系統結構

采用交流電的船舶供電線制一般采用三相三線絕緣系統或以船體作為中性線回路的三相四線系統[12-13]。三相三線絕緣系統是采用最為普遍的線制。以該線制工作時，三相系統的中性點不人為接地。對于船舶而言，采用這種方式時，各電網沒有直接電的聯系，互相影響較小。在保證電網中電力設備對地絕緣強度夠大時，不小心碰到任意一根電線的船員不會有觸電的危險。更為重要的時，當電網中發生單相接地短路時，電網并不存在短路回路，可繼續正常工作一段時間，這對于要求不間斷供電的船舶而言是至關重要的。但這種配電線制對于繼電保護裝置而言是不利的，并且出現單相接地故障時，其他非故障相的對地電壓會上升至原來的1.71 倍，這對于設備的絕緣是不利的。采用三相三線絕緣系統的船舶電力系統結構如圖1 所示。

圖1 采用三相三線絕緣系統的船舶電力系統

另外一種采用較多的線制是以船體為中性線回路的三相四線系統。該系統的三相系統中性點被認為接地，其中“地”是導電的船體。這種線制有效地克服了三相三線絕緣系統的缺點。當發生單相接地短路時，由于中性點接地，因此非故障相的對地電壓將會保持在原來的值；同時，單相接地短路發生后，電源、故障相、短路點與船體形成電氣回路，會出現較大的短路電流，這有利于繼電保護裝置的判斷。此外，接地系統相較于三相三線絕緣系統，可以有效地引出單相電，并能夠節省變壓器。但是，在提高了繼電保護裝置工作靈敏度的同時，由于接地電流過大，容易出現故障，引發火災；同時，在單相接地短路后，系統將不能正常工作，需要將故障立刻排除后才能繼續工作，相對而言，系統工作的連續性不能得到保證；該線制并非絕緣系統，同時與船體有著電氣連接，當船舶上工作人員觸碰到某根電線時，容易發生觸電事故。該系統的示意圖如圖2 所示。

圖2 三相四線制的船舶電力系統

2 短路電流計算

為了能夠量化分析各種船舶岸電網絡的故障特性，本文對船舶上的電動機、變壓器、電纜及船岸連接電纜進行了不同的建模，并依次進行了短路電流計算。建立的短路電流計算模型能夠反映船舶岸電系統的短路電流水平。根據所計算出的短路電流，能夠進行保護方案的設計與保護參數的整定，以更簡便、直接地計算出保護整定值。

2.1 阻抗計算

1）電動機的電阻、電抗與阻抗計算

電動機的超瞬態電阻、電抗與阻抗可按下式進行計算：

在缺少確切數據時，以上公式的ηMcosφM可取0.76。

2）變壓器電抗、電阻與阻抗計算

電抗器的處理與變壓器相同。

3）電纜電抗與電阻計算

4）船岸連接電纜的電抗與電阻計算

在溫度為20 °C 時，單位長度上的電阻Kr按下式計算：

單位長度的電抗按下式進行計算：

當頻率f=50Hz 時：

n 為導體束中導體的根數，單根導體取n=1。

2.2 電網電源饋送短路電流計算

如圖3所示，已知岸上變電所對靠港船舶供電點Q的電壓UrQ，初始對稱短路視在功率或初始對稱短路電流（由陸上電業管理部門提供），則Q點電網電源的阻抗ZQ可按下列計算：

圖3 岸上供電系統及其等效圖

其中：c為電壓系數，根據電網電壓的等級按下列原則選取；

c=1.00，低壓系統230 V/400 V，50 Hz；

c=1.05，其他的低壓系統；

c=1.10，1kV以上的中高壓系統；

電源電網阻抗ZQ=RQ+jXQ，取其中RQ=0.1XQ，XQ=0.995ZQ

如圖4所示，岸上變電所通過電纜L向靠港船舶高壓配電板HSB供電，則F點的初始對稱短路電流可按下式計算：

圖4 電纜連接岸上供電系統及其等效圖

3 船舶岸電系統保護配置方案

3.1 無需對時的差動保護

電流差動保護具有絕對的選擇性，其性能不受系統運行方式的影響，可以迅速切除和孤立故障區域。因此，針對傳統電流保護和距離保護在岸電系統中選擇性差、可靠性低的問題，電流差動保護應是高壓船舶岸電系統線路保護的首選。

通常，輸電線路線的對地電容電流和雙端通信的對時問題成為影響差動保護速動性及動作閾值整定關鍵影響因素，給差動保護帶來了不利的影響。但是高壓船舶岸電系統由于電纜線路較短，因此將無需考慮以上兩個因素的影響，為差動保護的使用帶來便利。

1）差動保護基本原理

圖5所示為線路電流差動保護區內、外短路示意圖，當線路正常運行以及被保護線路外部（如K2）點短路時，按規定的電流正方向看，M側電流為正，N側電流為負，兩側電流大小相等、方向相反，即當線路內部短路（如K1點）時，流經線路兩側的故障電流均為正方向，且（為K1點短路電流）。利用被保護元件兩側電流和在區內短路與區外短路時一個是短路點電流很大，一個幾乎為零，即構成電流差動保護。

圖5 電流差動保護區內、外短路示意圖

2）無需對時的差動保護

本保護方案基于基本的電流差動保護原理。考慮到高壓船舶岸電系統電纜長度短，因此岸上線路差動保護可直接利用聯絡線傳輸雙端電流信號，聯絡線安裝于電纜內部，從而實現無需對時的差動保護。

由于電流互感器飽和、區外故障等原因造成的不平衡電流增大可能會導致非故障線路的差動保護誤動作。為了進一步提高差動保護的可靠性，本保護方案引入故障確認機制。

根據基爾霍夫定律，當差動環內部任意區域短路故障時，流入差動環的電流相量和不為0，而當差動環外部區域故障時，流入差動環的電流相量和為0。因此，可利用差動環邊界上所有電流互感器測得的電流相量和是否為0 來對區內、區外故障進行進一步確認區分。差動保護的確認機制示意圖如圖6 所示。

圖6 差動保護跳閘確認機制

如圖6所示，只有當本地保護和差動環同時判斷區內發生故障時，保護才出口跳閘信號，以此大大提高差動保護的可靠性。

3.2 改進的電流保護

傳統電流三段式保護會受到船舶電動機負載饋送電流的影響。饋送電流雖不如短路電流，但也比額定電流高出許多，因此當饋送電流流經非故障線路保護裝置時，保護有可能誤動，造成保護可靠性的降低。

為解決饋送電流引起的誤動作，只需要在可能誤動作的相應開關中安裝功率方向元件，當流過該元件的電流為正常方向電流時，電流保護正常工作；當流過該元件的電流為反向電流時，則電流保護閉鎖。以此提高電流保護的可靠性。

傳統三段式電流保護選擇性差，針對此問題，結合岸電系統電纜長度短、通信方便的特點，提出自下而上逐級判斷的邏輯判斷原則，即發生故障時，下級線路依次向上級線路提供保護動作信號。當下級保護動作出口，上級線路保護依次閉鎖；當下級保護沒有發出跳閘信號，則上級保護正常工作。這種自下而上逐級判斷的邏輯判斷原則一方面可以提高電流保護的選擇性，另一方面也可以使上級保護成為下級保護的后備保護。改進的電流保護邏輯框圖如圖7 所示。

圖7 改進的電流保護邏輯框圖

3.3 船舶岸電系統保護配置方案

本文提出以無需對時的差動保護為主保護，改進的電流保護為后備保護的保護方案。保護方案流程圖如圖8 所示。

圖8 船舶岸電系統保護方案

4 結語

岸電系統的繼電保護方案對于岸電系統的實際運行與推廣有著至關重要的意義。本文首先分析船舶電力系統的不同結構，分析不同船舶系統的故障特性。其次對船舶電力系統的電動機、變壓器、電纜及船岸連接電纜繼續建模，并對不同結構的船舶岸電系統進行短路計算，通過具體分析得出了船舶岸電系統短路電流計算結果。根據分析與比對，提出了針對船舶岸電系統的兩種保護方案，分別是無需對時的差動保護與改進的電流保護。利用以上保護方案，提出了適用于船舶岸電系統的綜合保護方案。