船舶交流中壓電力系統絕緣故障特性分析與仿真

涂方明

?

船舶交流中壓電力系統絕緣故障特性分析與仿真

涂方明

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢430060）

本文依據現有常見的中壓船舶電力系統，建立了船舶交流中壓電力網絡絕緣故障模型，對其中性點經高阻接地方式下絕緣特性進行了全面的理論分析，主要分析了該接地方式下故障相、非故障相的電流、電壓，以及零序電壓等特征量與絕緣故障電阻、中性點接地電阻的關系。利用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC進行仿真。為今后該系統絕緣監測方法的提出打下了理論基礎，同時利用表征的零序電壓來計算絕緣電阻的結論具有工程實用價值。

船舶交流中壓電力系統 高阻接地 零序電壓 絕緣電阻

0 引言

由于船舶電力系統功率、容量和電壓等級的提升，以及中性點接地方式的改變，對船舶交流中壓設備和電纜的絕緣性能提出了更高的要求[1]。目前船舶中壓電力系統的絕緣故障監測與保護方法還尚待完善，需要參考陸地電網進行實施。但船舶電力系統由于其特定的使用環境相對于陸地電力系統又具有明顯的特殊性，目前針對船舶交流中壓電力系統組成結構和運行方式的絕緣故障特性的研究仍處于初步探索階段，并沒有較系統和全面的研究[2,3]。所以針對船舶交流中壓電力系統組成結構和運行方式的絕緣故障特性的研究是十分必要的，也是選擇船舶交流中壓電力系統絕緣監測與保護方案的基礎。

對于目前的中壓電網來說，為了限制間歇性電弧接地過電壓，同時考慮到與系統對地電容為并聯關系，一般選擇中性點經高阻接地的方式[4-6]。根據數據統計來看，電網的單相故障占短路故障的70%以上。因此本文主要分析中性點高阻接地的船舶中壓電力系統在單相絕緣故障時各特征量的變化規律。通過建立仿真模型對理論分析進行了驗證，根據仿真結果提出了最適合表征船舶交流中壓電力網絡絕緣狀態的特征量。

1 船舶交流中壓電力系統模型

由于船舶中壓電網的三相電纜間及電纜與船殼之間存在較大的分布電容，當系統正常運行時，分布電容間會出現充電電流。但由于充電電流很小，其在線路上產生的壓降也可以忽略。因此在分析船舶交流電網充電電流時可用集中參數電路表示[7,8]。

下圖1為船舶交流中壓電力系統對地參數等效模型，中性點接地方式為經高阻接地。

假設系統共有n條負載支路，中性點接地電阻為R，令

則可將圖1中的對地參數等效模型簡化如圖2所示。

由系統的對地總漏電流守恒可知：

故有

解得中性點對地電壓

因為第k條支路的漏電流等于該支路A、B、C三相的漏電流之和，則第k條支路的漏電流的表達式為

即

2 船舶交流中壓電力系統零序電壓分析

下面以圖3高阻接地系統絕緣故障等效模型為例對零序電壓進行分析。

在中性點經高阻接地系統中，中性點接地電阻兩端電壓即為零序電壓，零序回路中線路對地分布總電導兩端也為零序電壓。

當發生絕緣劣化故障時，相當于某相發生經過渡電阻接地故障，這時由于過渡電阻的存在，電網的故障特征就會減弱，故障暫態過程延長，有可能導致系統繼電保護裝置的拒動[9,10]。

1）當系統存在一定程度的電容不平衡時

認為絕緣良好時，圖中R= R= R= R=+∞，設A相電容不平衡，令C= C= kC，C= C= C，為電容不平衡度，此時零序電壓表達式為：

2）當系統中發生單相絕緣故障時

令，C= C= C= C設B相發生經過渡電阻R單相接地故障，則零序電壓表達式為：

由式（6）~（9）可見，

① 船舶電力系統相電容的不平衡和絕緣下降，即單相經過渡電阻故障的表現形式十分相似，都會發生中性點電壓偏移，零序電壓幅值增大，三相電壓出現不對稱。

② 零序電壓受電網零序阻抗控制，零序阻抗包括電纜線路的對地分布阻抗、中性點接地電阻以及過渡電阻。

③ 當過渡電阻值越小時，零序電壓變化幅度越大，故障特征越明顯。

④ 系統三相電容不平衡度越大，零序電壓越大。

⑤ 由（7）（9）可以看到，無論是絕緣故障還是不平衡導致的零序電壓偏移，偏移的相位與故障相的相位夾角都小于90°。

3 船舶交流中壓電力系統絕緣故障仿真

利用電力系統仿真軟件PSCAD對中性點高阻接地系統絕緣故障進行仿真建模分析，以兩臺發電機并聯運行的情況為例，系統模型如圖4所示。設置系統參數：發電機額定電壓為6300 V，額定頻率為50 Hz，系統單相對地總電容為C=33 μF。

本仿真模型首先設置的單相故障類型分為兩種，一種是間歇電弧接地故障，另一種是金屬性接地故障。仿真時間為200 ms，為工頻10個周期時間。在系統運行50 ms時啟動間歇電弧接地故障模塊，模擬2~3個周期的間歇電弧接地故障，在系統運行90 ms時啟動金屬性電阻接地故障模塊。

然后對單相經絕緣電阻故障情況進行仿真，設置不同的過渡電阻值，考察高阻接地系統三相電壓、電流及零序電壓變化情況。此時仿真結果如下：

表1 不同過渡電阻情況下仿真數據

觀察表1可見，高阻接地系統在未發生絕緣故障時，零序電壓為零，中性點接地電流為零；當發生絕緣故障時零序電壓、故障點電流、中性點電流都隨著過渡電阻值的增大而不斷減小，尤其是絕緣電阻值在1000 Ω以上時，故障特征量越發不明顯。高阻接地系統絕緣故障時的非故障相的過電壓倍數均可以控制在2倍以內，當發生間歇性電弧故障的時候在電弧接地瞬間會有較大的過電壓和故障電流，在電壓達到穩定之后，過電壓為相電壓的1.732倍左右。而且兩臺發電機中性點電流之和均不超過10 A，仿真結果與理論分析一致[11]。

表2 零序電壓隨分布電容不平衡度的變化表

由表2可見，當系統分布電容不平衡時，中性點電阻兩端將產生電壓，即零序電壓，不平衡度越大，零序電壓幅值也隨之迅速增大。仿真結果與理論分析一致。雖然船舶電力系統由于電纜較長，分布電容較大，但是一般在三相系統中，由于發電機、變壓器等設備都具有良好的對稱性，如果不附加任何電容器等，系統的不平衡度不會很大[12]，一般偏差不會超過。

4 結論

通過分析船舶中壓電力系統普遍采用的中性點高阻接地方式，對該接地方式下的絕緣故障特性和規律進行了理論計算，得出

1）船舶電力系統相電容的不平衡和絕緣下降，都會使三相電壓出現不對稱，產生零序電壓，且均呈現正相關性。

2）但從表中可以看出電容不平衡所引起的零序電壓變化較絕緣破損所引起的變化要小得多。但仍需考慮。

結合PSCAD暫態仿真，進一步驗證了中性點接地電阻值、故障點過渡電阻與零序電壓以及非故障相和故障相的電壓、電流的之間的變化關系，為今后尋找零序電壓與絕緣電阻之間的關系提供了方法，為船舶交流中壓電網在線絕緣監測方法的研究打下了基礎。

[1] 于亮, 王校峰, 張碩, 等. 船用中壓電力系統的發展[J]. 機電設備, 2008, 02: 1-3.

[2] 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.

[3] 許明華. 船舶中壓系統中性點接地探討[J]. 航海技術, 2009, 04: 60-62.

[4] 陳亮, 李耕, 張曉鋒. 船用中壓發電機中性點接地電阻的整定計算[J]. 船電技術, 2015, 04: 9-12.

[5] 戚宇林. 中壓配電網單相接地故障定位的研究與實現[D]. 保定: 華北電力大學, 2008.

[6] Yong B, Wei C, Jiansheng L, et al. Single phase to earth fault location method in distribution network based on signal injection principle[C]. Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), 2011 4th International Conference on. IEEE, 2011: 204-208.

[7] 程英龍, 孫磊. 淺析船舶電機絕緣電阻[J]. 中國修船, 2011, 06: 31-33.

[8] 王燕. 船舶中壓電力系統中性點接地與過電壓研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2011.

[9] 張彥魁, 畢大強, 劉同和. 船舶中壓電網高阻接地方式機理研究[J]. 中國艦船研究, 2014, 02: 89-94+116.

[10] 祝彥兵. 船舶高壓交流電力系統綜合保護研究與設計[D]. 大連: 大連海事大學, 2012.

[11] 杜林. 大電機主絕緣局部放電測量及老化特征研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2004.

[12] Bahadoorsingh S, Rowland S M. The relationship between insulation ageing and power network performance[C]. Solid Dielectrics, 2007. ICSD'07. IEEE International Conference on. IEEE, 2007: 180-183.

Analysis and Simulation of Insulation Fault Characteristics in the Medium Voltage Power System of Ship

Tu Fangming

( Naval Representatives Office of 438 Factory, Wuhan 430060, China)

On the basis of existing common medium-voltage AC power system in shipboard, insulation fault model is established. Insulation characteristics of the high resistance grounding is analyzed, mainly including the relation of grounding fault phase and non fault phase current, voltage, and zero sequence voltage characteristics with the insulation fault resistance, neutral point resistance. The electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMTDC is used for the simulation. The paper provides theoretical foundation for insulation monitoring method in the future, and the conclusion that the insulation resistance can be calculated by the zero sequence voltage will be applied in the future.

marine medium voltage power system; high resistance grounding; zero sequence voltage; insulation resistance

TM85

A

1003-4862（2016）04-0026-04

2015-07-20

涂方明（1979-），男，本科。研究方向：船舶電氣。