電力系統(tǒng)選擇性保護仿真研究

楊　明，徐　毅，孫宏光（.海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連60；.浙江高速投資發(fā)展有限公司，浙江寧波 35000）

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電力系統(tǒng)選擇性保護仿真研究

楊明1，徐毅2，孫宏光1
（1.海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連116021；2.浙江高速投資發(fā)展有限公司，浙江寧波 315000）

摘 要：針對船舶電力系統(tǒng)的特性，建立了電力系統(tǒng)選擇性保護的斷路器和熔斷器數(shù)學模型，利用電磁暫態(tài)仿真軟件搭建了全系統(tǒng)仿真模型。仿真分析了典型故障下各種瞬動保護設(shè)置方案的保護結(jié)果，得出了最優(yōu)的瞬動保護設(shè)置方案。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)保護仿真

0　引言

船舶電力系統(tǒng)是一個非線性、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其保護系統(tǒng)的選擇性對于系統(tǒng)安全、可靠供電具有重要的意義。保護的選擇性是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護裝置只選擇最靠近故障處的線路使之斷開的性能[1]。電力系統(tǒng)保護的選擇性與保護裝置的動作特性、整定方法、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行方式、負載短路特性以及故障特征等諸多因素有關(guān)。

目前廣為使用的船舶電力系統(tǒng)保護執(zhí)行元件是中低壓斷路器和熔斷器，它們的基本功能是在所要求的時間內(nèi)重復(fù)或單次切斷故障電路，改變系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)，以保證整個電力系統(tǒng)和重要電力設(shè)備免受短路等重大電力事故的破壞[2]。常用框架斷路器一般具有過載長延時、短路短延時和短路瞬時三段保護延時特性，熔斷器一般僅具備過載保護和短路瞬動保護特性，對斷路器各段保護特性中的啟動電流和延時時間參數(shù)的整定選擇以及熔斷器保護特性的選擇，關(guān)系到各級斷路器是否能夠按照選擇性保護要求準確隔離故障區(qū)域。短路故障發(fā)生時，在開關(guān)的觸頭間隙或熔斷器熔體上會產(chǎn)生電弧，掌握電器電弧的特性是保護電器設(shè)計研究的關(guān)鍵。

本文建立了船舶電力系統(tǒng)選擇性保護的斷路器和熔斷器數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上建立了仿真模型并進行仿真分析，得出了最優(yōu)的保護整定方法。

1　斷路器和熔斷器數(shù)學模型

1.1 斷路器數(shù)學模型

描述斷路器開斷過程的模型有兩大類：黑盒模型和物理數(shù)學模型。建立并應(yīng)用電弧黑盒模型的基本思路就是不深究滅弧室內(nèi)部復(fù)雜的物理過程，只著眼于電弧的外特性，將其行為視為一個由若干時間變量（電壓、電流、電導(dǎo)）及時變電弧參數(shù)表示的電路元件并將其與所在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)解來推斷電弧的燃滅趨向[3]。

電弧電導(dǎo)公式遵循能量的一般規(guī)律，未對電弧電導(dǎo)等參數(shù)進行任何限制，對所有黑盒模型都成立。眾多學者根據(jù)不同的假設(shè)，提出了各自的電弧黑盒模型。Cassie電弧模型和下面的Mayr電弧模型是影響和應(yīng)用較為廣泛的兩種黑盒模型[4]。

Cassie在考慮電弧模型時假定：

1）電弧具有圓柱形的氣體通道的形狀，其截面有均勻分布的溫度；

2）電弧通道具有相當明確的界限，即直徑，在直徑以外氣體電導(dǎo)率很小；

3）假如通過電弧通道的電流變化，則其直徑也同時變化，但是溫度沒有變化，認為電弧的溫度在空間和時間上都保持不變；

4）電弧等離子體的能量和能量散出速度與弧柱橫截面的變化成正比，能量散出是因為氣流或與氣流有關(guān)的弧柱變化過程所造成，不考慮從電極散出的能量。Equation Section （Next）

基于以上假設(shè)，Cassie電弧模型可以表示為：

其中，cτ是Cassie電弧模型定義的時間常數(shù)；u表示電弧電壓；Uc表示電弧電壓梯度，在靜態(tài)時是常數(shù)，與電流值無關(guān)。

Mayr電弧模型考慮以下假定條件：

1）弧柱為一直徑不變的圓柱體，其中溫度隨離開軸線距離的增大而降低；

2）只研究長弧情況，即認為電弧電壓等于弧柱壓降，同時不計沿軸向和從電極散發(fā)的熱量；

3）弧柱功率的散發(fā)主要是由于傳導(dǎo)和一部分輻射，不考慮對流，從電弧間隙散發(fā)的能量是常數(shù)；

4）不考慮弧柱中氣體的熱物理性質(zhì)隨溫度變化的關(guān)系；

5）弧柱中的熱電離情況，可按沙哈方程確定。這樣，Mayr電弧模型可以表示為：

式中，τM是Mayr電弧模型定義的時間常數(shù)；N是電弧能量耗散功率。時間常數(shù)的物理意義為，當電弧電流消失后，電弧電阻增大e倍所需的時間。它是說明電弧動態(tài)性能很重要的參數(shù)。時間常數(shù)越大，電弧電阻上升越慢。時間常數(shù)的大小就說明了電弧電阻的熱慣性。

大量研究表明，Cassie方程較合適于大電流的燃弧期間對電弧外特性的分析[3]，Mayr方程比較適用于小電流情況下的電弧過程分析。考慮到本文所針對的船舶電力系統(tǒng)發(fā)電機組容量大和饋線短，故障短路電流較大（供電網(wǎng)側(cè)短路電流峰值將達到10KA以上），斷路器需要分斷較大電流，因此本文選擇Cassie電弧模型描述斷路器電弧特性。

1.2 熔斷器數(shù)學模型

熔斷器熔斷過程可分為弧前和電弧兩個階段，在熔斷過程中表現(xiàn)為一個非線性電阻，其電阻Rf在熔斷過程中是隨時間不斷變化的。可分別采用分斷可變電阻來描述。在弧前階段，短路電流流過熔斷器可熔元件，消耗有功功率用于發(fā)熱以提高熔體溫度，可假設(shè)熔斷器弧前具有絕熱特性，則有

式中，θ為可熔元件的溫度，μ、c分別為介質(zhì)密度和比熱容，Q為電流產(chǎn)生的熱量，其與短路電流的平方及時間t成正比。

在弧前階段，電阻率則設(shè)置成根據(jù)溫度變化

式中，0ρ為0°C時可熔元件的電阻率，α為比例系數(shù)。

當可熔元件溫度達到其熔點θmelt，可熔元件開始熔斷并起弧，進入電弧階段，其電阻率顯著增大[5]，如錯誤！未找到引用源。所示。熔斷器電弧階段的電弧模型仍可采用Cassie電弧模型來描述。

2　仿真分析

基于電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立全系統(tǒng)仿真模型如錯誤！未找到引用源。2所示。

2.1 典型故障點設(shè)置

故障點設(shè)置如錯誤！未找到引用源。3所示。

圖2　全系統(tǒng)仿真模型

圖3　故障點設(shè)置

圖中，DZ1、DZ4為主配電板負載斷路器，DZ2、DZ5為配電中心斷路器，DZ3、DZ6為分配電箱斷路器。T1為變壓器，I為前主配電板匯流排，II為后主配電板匯流排。

2.2 典型故障仿真分析

GJB4000規(guī)定發(fā)電機斷路器應(yīng)設(shè)置瞬時保護，其瞬時始動電流整定值應(yīng)大于或等于被保護發(fā)電機不對稱短路電流最大有效值的120%，但對于母聯(lián)斷路器和跨接斷路器是否應(yīng)設(shè)置瞬動保護，并沒有明確要求。以下結(jié)合典型故障仿真分析結(jié)果，對母聯(lián)斷路器和跨接斷路器瞬動保護設(shè)置進行分析。

2.2.1 母聯(lián)斷路器和跨接斷路器均不設(shè)置瞬動保護

按照GJB4000中對發(fā)電機斷路器的瞬時始動電流設(shè)置規(guī)定，發(fā)電機機斷路器僅在流過兩臺及兩臺以上并聯(lián)發(fā)電機機組短路電流才會瞬動，這種情況僅在短路點處于發(fā)電機組與主配電板間的線路時才會出現(xiàn)，而由于母聯(lián)斷路器和跨接斷路器不設(shè)瞬動保護，因此影響系統(tǒng)保護選擇性的主要是斷路器的短延時特性。按照上述設(shè)置方式，對各故障點重新進行仿真測試，部分仿真結(jié)果如表1所示。

短路時，各種機組組合方式下，保護動作均是跨接斷路器短延時DW7或DW8跳閘斷開，其他斷路器不動作，保護選擇性較好。在F4點故障時，各種機組組合方式下，保護動作均是岸電斷路器DW9瞬動跳閘斷開，其他斷路器不動作，符合保護選擇性要求。由以上仿真結(jié)果可以看出，若母聯(lián)斷路器和跨接斷路器均不設(shè)置瞬動保護，則在F1、F2點故障時，在多種機組組合方式下，均出現(xiàn)了跨接斷路器斷開導(dǎo)致故障影響范圍擴大的情況，甚至出現(xiàn)正常母排無法與故障點隔離，導(dǎo)致母排無法恢復(fù)供電的情況，保護選擇性和供電聯(lián)系性均較差。

表1　仿真結(jié)果分析1

2.2.2 跨接斷路器設(shè)置瞬動保護而母聯(lián)斷路器不設(shè)置瞬動保護

對照上述故障和機組設(shè)置方式，對各故障點重新進行仿真測試，跨接斷路器瞬動延時誤差為±5ms 。

在F3點短路時，各種機組組合方式下，保護動作均是跨接斷路器DW7或DW8瞬動跳閘斷開，其他斷路器不動作，保護選擇性較好。在F4點故障時，各種機組組合方式下，保護動作均是岸電斷路器DW9瞬動跳閘斷開，

其他斷路器不動作，符合保護選擇性要求。由仿真結(jié)果可看出，與母聯(lián)斷路器和跨接斷路器均不設(shè)置瞬動保護的保護整定方法類似，在F1、F2點故障時，也出現(xiàn)了故障影響范圍擴大，以及正常母排未能與故障點隔離，無法恢復(fù)供電的情況，保護選擇性和供電聯(lián)系性均較差。

2.2.3 母聯(lián)斷路器設(shè)置瞬動保護而跨接斷路器不設(shè)置瞬動保護

對照上述故障和機組設(shè)置方式，對各故障點重新進行仿真測試，跨接斷路器瞬動延時誤差為±5ms 。

在F3點短路時，各種機組組合方式下，保護動作均是跨接斷路器短延時DW7或DW8跳閘斷開，其他斷路器不動作，保護選擇性較好。在F4點故障時，各種機組組合方式下，保護動作均是岸電斷路器DW9跳閘斷開，其他斷路器不動作，符合保護選擇性要求。

由仿真結(jié)果可看出，若母聯(lián)斷路器瞬動啟動電流整定為19000A，瞬動延時時間設(shè)定為20± 5ms，按照當前發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)仿真模型，可以使得單機短路電流流過斷路器時不會瞬動跳閘，從而保證跨接線發(fā)生短路故障時，總是跨接斷路器短延時跳閘斷開。與上述保護設(shè)置方案相比，采用母聯(lián)斷路器設(shè)置瞬動保護而跨接斷路器不設(shè)置瞬動保護整定方法可以有效提高系統(tǒng)保護選擇性。

3　結(jié)論

綜合比較各種瞬動保護設(shè)置方案的故障保護仿真結(jié)果，認為采用母聯(lián)斷路器設(shè)置瞬動保護而跨接斷路器不設(shè)置瞬動保護的瞬動設(shè)置及整定方案最優(yōu)。

參考文獻:

[1] 李麟，沈兵，莊勁武．艦船電力系統(tǒng)[M]．武漢：海軍工程大學出版社，2003:9-13.

[2] 李麟，沈兵．艦船電力系統(tǒng)及自動化[M]．武漢：海軍工程大學出版社，2001:38-39．

[3] 王其平．電器電弧理論[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1982:218-219．

[4] 徐國政，張節(jié)容，錢家驪，等．高壓斷路器原理和應(yīng)用[M]．北京：清華大學出版社，2000:13-19.

[5] 毛柳明，文遠芳，周挺．高壓限流熔斷器熔斷過程及過電壓研究[J]．高電壓技術(shù)，2008，34（4）:820-823.

Simulation Research of Protection of A Power System

Yang Ming1,Xu Yi2,Sun Hongguang1
（1.Naval Representatives Office in Dalian Area,Dalian 116021,Liaoning,China;2.Zhejiang Expressway Investment Development Company,Ningbo 315000,Zhejiang,China）

Abstract:According to the features of the ship’s power system,mathematical model of breakers and fuses are set up,and all system’s simulation models are set up by Pscad.Protection results of power distribution’s typical breakdown are analyzed,and the optimal safeguard solutions are also presented.

Keywords:power system;protection;simulation

作者簡介：楊明（1973-），男，高級工程師。研究方向：艦船監(jiān)造。

收稿日期：2015-11-09

中圖分類號：TM561

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）01-0026-04