船舶環形配電網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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船舶環形配電網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. 智能電網運行與控制湖南省重點實驗室，長沙理工大學，長沙 410076；2. 電力系統國家重點實驗室，清華大學電機系，北京 100084）

在無通道保護方法的基礎上，提出了一種適應于船舶環形配電網的電流保護加速動作的方法。該方法利用故障發生和線路一側斷路器跳閘引起的另一側支路電流變化，和該變化所具有的時間特性來判斷故障區間，來實現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 環形配電網 加速動作

0 引言

隨著船舶容量的增大，自動化水平的提高，供電連續性成為衡量船舶電力系統生命力的重要指標之一[1]。由于環形配電網中的設備從線路的兩個方向獲得電源，具有較高的供電連續性，從而在船舶電力系統中得到了廣泛的應用。但環形網絡結構復雜，對其保護研究一直處于起步階段。

傳統的時限配合保護對電源附近的故障切除時間長，難以滿足電力系統的需要，所以提高配電網中繼電保護裝置的動作速度成為解決電網可靠性的有效路徑之一。文獻[2-3]采用電流差動保護，能快速切除復雜供電網絡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有很高的要求，故成本較高。文獻[4]采用無通道保護技術，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的線路保護。

論文在上述無通道保護的基礎上，針對船舶環形配電網，提出了一組新的加速動作的判據方法，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，和此突變出現的時間來判別故障區域，以此來實現保護的相繼速動。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

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

保護流程圖如圖1所示。

圖1 保護流程圖

加速動作判據如下所示：

1）啟動判據：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：用于判斷對端斷路器狀態。

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范中是不要求的，但通常情況下，鑒于礦產資源資產評估要求評估師具有完全獨立性，因此SME評估標準中規定了獨立性原則。

其中，為采樣時刻，為周期數；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：用于判斷故障區域。

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

加速時段的設定原則是：加速斷路器動作應該伴隨著另一端傳統斷路器的動作，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

通過結合具體的船舶環形配電網，進一步說明保護原理和判據的作用。圖2為船舶電力系統環網結構圖，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 環形網絡結構圖

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，本例中整定為其后的100 ms內。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上發生短路故障時(設故障點為f2)，根據方向性原則，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內檢測到比值判據大于定值。對R2而言為區內故障，從而R2在0.6 s左右加速跳閘，實現保護動作的快速性。因此，通過線路電流突變量的時間來區分故障區域，實現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換為傳統的過電流保護，其動作時間特性見表１。

3 仿真分析

通過對圖2環網進行仿真，分析比較點f1、f2和f3故障時，保護R1、R2和R3的響應情況。其中，設短路點f1、f2和f3分別為L1、L2和L3的中點。

3.1 線路L3發生A相短路故障

線路L3在0s時發生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將恢復至初始狀態。圖3為加速保護R1~R3的響應情況。

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。當R9跳閘后，流過R1~R3的故障相短路電流發生突變，在0.9~1.0 s內檢測到比值判據大于閥值。

仿真結果表明保護R3在其加速時段內檢測到比值判據大于閥值，同時啟動判據大于整定值，認定故障為區內故障，保護R3加速動作，在1.0 s左右隔離故障線路，比傳統過電流保護快0.3 s；而保護R和R2在其對應的保護加速時段內比值判據為1，因而認定故障是區外故障，保護不動作。

圖3　線路L3發生A相短路A相仿真結果圖

3. 2 線路L2發生AB兩相短路故障

線路L2在0s時發生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將恢復至初始狀態。圖4為加速保護R1和R2的響應特點。

由于AB兩相波形一致，故此處只列舉了A相響應波形圖。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的一段時間內檢測到比值判據大于閥值。

圖4線路L2發生AB兩相短路A相仿真結果圖

仿真結果顯示繼電器R2在保護加速時段0.5 ～0.6 s內檢測到比值判據大于定值，同時啟動判據大于定值，因而認定故障是區內故障，保護R2加速動作，在0.6 s左右隔離故障線路，比傳統過電流保護快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，比值判據小于1，因而認定故障是區外故障，保護R1不動作。R8跳閘后使R3與故障區域隔離，因此R3恢復至初始狀態。

3.3 線路L1發生ABC三相對稱短路故障

線路L1在0 s時發生短路故障，保護R1、R7、R8、R9、R10、R11和R12檢測到故障信號，根據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將恢復至初始狀態。圖5為加速保護R1的響應特點。

由于ABC三相波形一致，故此處只列舉了A相響應波形圖。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內檢測到一定大小的比值判據。

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

圖5 線路L1發生ABC故障時R1的A相響應波形圖(區內故障)

4 結論

本文在無通道保護的基礎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性。

[1] 邰能靈, 王鵬, 倪明杰. 大型船舶電力系統關鍵技術與應用 [M]. 北京: 科學出版社, 2012: 94-101.

[2] 范嘯平, 王威, 邰能靈, 等. 船舶電網電流差動保護的應用研究[J]. 船電技術, 2012, 32 (2): 5-7.

[3] 張寧, 董新洲, 薄志謙, 等. 輸電線路綜合電流差動保護方案的研究[J]. 電力科學與技術學報, 2007, 22(4): 16-19.

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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：船舶電力系統保護與控制。