船舶直流電網短路恢復過電壓對系統保護設計影響研究

鄢 倫，吳大立，李文華

應用研究

船舶直流電網短路恢復過電壓對系統保護設計影響研究

鄢 倫1, 2，吳大立1, 2，李文華1, 2

（1. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205；2. 海洋電磁探測與控制湖北省重點實驗室，武漢 430205）

直流電網是船舶電力系統的重要發展方向，受保護器械重量、體積等制約因素使采用限流熔斷器成為船舶直流電網保護設計的選擇方案，然而保護器械的快速動作使系統中出現的暫態恢復過電壓可能引起非故障支路限流熔斷器熔斷，造成選擇性保護失效。本文面向船舶直流電網短路恢復過電壓現象，從理論上分析研究了其對系統保護設計的影響，并針對性的提出了改進方案和工程應用方法，可指導船舶直流電網選擇性保護設計進一步優化完善，提高船舶直流電網運行的安全可靠性。

直流電網 限流熔斷器 恢復過電壓 選擇性保護

0 引言

近年來，隨著節能減排要求的不斷提高以及大功率電力推進技術和先進電力電子變流技術的迅猛發展，更加具備經濟性、運行靈活性的直流電網逐漸成為船舶電力系統的重要發展趨勢[1-2]。為確保船舶直流電網短路后迅速切除、隔離故障，完善的保護設計對實現船舶直流電網的安全、可靠運行，提高全船電網供電連續性具有重大意義[3]。

由于船舶電力系統規模小、供電距離短，不論是采用整流發電機或者蓄電池直接供電的船舶直流電力系統，當其供電負載側短路時均可能在短路點產生高達百kA級的短路電流。為更快的切除短路故障，基于限流熔斷器的船舶直流電網選擇性保護設計方案成為廣泛應用的方案之一[4]。實際應用時，通常根據負載額定電流、短路保護切除時間要求等因素，在電網中設計配置合適的限流熔斷器。結合工程應用可實現性以及合理性，為實現負載短路時快速切除短路故障，一般要求限流熔斷器動作時間在10 ms以內，以提高全船電網供電連續性和可靠性。

然而，對于更加典型的多母線供電結構的船舶直流電網，當負載出現短路故障時，母聯限流斷路器或限流熔斷器快速動作時，會導致直流電網出現短路暫態恢復過電壓，使非故障支路輸入電壓與電網電壓存在較大的壓差，進而可能導致非故障支路流過較大的電流，引起非故障支路配置的限流熔斷器動作熔斷，造成非故障支路失電，導致直流電網選擇性保護失效。

針對這一過去未引起充分重視和關注的問題，本文基于當前典型船舶直流電網選擇性保護設計方案，面向船舶直流電網短路恢復過電壓現象，研究了其對系統選擇性保護設計的影響，并針對性的提出了保護設計改進思路和工程應用方案，通過相關改進可指導船舶直流電網選擇性保護設計優化完善，進一步提高船舶直流電網運行的安全可靠性。

1 船舶直流電網典型選擇性保護設計方案

船舶直流電網由于供電線路距離短，遠端短路電流與近端短路時電流差別較小，為兼顧實現船舶直流電網保護選擇性與快速性，并充分考慮直流框架式斷路器或固態斷路器等解決方案帶來的體積、重量大等制約因素[5-6]，當前典型的基于限流熔斷器進行保護設計的方案示意圖如下圖1所示。

圖1 船舶直流電網典型保護設計方案示意圖

圖1所示方案實現直流電網保護選擇性的基本原理為利用電源側配置的框架式斷路器瞬時保護固有動作時間或通過設置短延時，以實現負載側短路時，蓄電池等電源饋送的短路電流導致負載側限流熔斷器快速熔斷，而框架式斷路器未動作，即利用兩者的時間差構成選擇性保護。

具體而言，圖1中逆變器支路1處短路時，蓄電池組饋送的短路電流將流過框架式斷路器Q1和逆變器支路的負荷開關Q2和限流熔斷器，通過對限流熔斷器的弧前2t值進行恰當設計，并通過對斷路器Q1設置短延時保護，即可實現逆變器支路限流熔斷器在10 ms以內動作熔斷，切除短路故障，且此時斷路器Q1不動作，保證了蓄電池組仍可繼續向其他負載供電。

對于多母線供電結構的直流電網，如圖1中設置的1號直流主配電板和2號直流主配電板，并通過母聯開關Q3構建供電通路。對于高供電可靠性場合，為實現單條母線出現短路等故障時不影響其他供電母線，常常將母聯開關Q3配置為限流斷路器，以通過短路時觸發母聯限流斷路器瞬時保護動作，實現不同母線快速解列，保障非故障母線回路供電連續性。具體而言，當圖1中斬波器支路2處短路時，蓄電池組饋送的短路電流將流過框架式斷路器Q1、母聯限流斷路器Q3和斬波器支路的負荷開關Q4和限流熔斷器，該短路電流會導致母聯限流斷路器Q3瞬時保護動作（最快1 ms以內），使1、2號直流主配電板獨立，從而保證蓄電池組可繼續向1號直流主配電板下的逆變器支路供電。

2 短路恢復過電壓及其對保護影響分析

2.1 短路恢復過電壓現象

針對船舶直流電網典型保護設計方案，由于限流熔斷器或限流斷路器動作時間很短，同時整流發電機或蓄電池等短路電流均很大，一般高達數十kA，如此巨大的短路電流在10 ms以內被保護器械切除時，必然導致系統中電流變化率很大，從而在系統中產生暫態恢復過電壓。某一船舶直流電網負載短路時電網電壓變化曲線如下圖2所示。

圖2 某一船舶直流電網負載短路時電網電壓變化曲線

從圖2中可看出，該船舶直流電網電壓在短路期間跌落到幾乎為0，短路被切除電網電壓恢復期間最高電壓升高到超過1400 V，短路切除后電壓恢復到穩態850 V，最高暫態電壓與穩態電壓間壓差超過550 V。

2.2 短路恢復過電壓對保護影響分析

針對如圖1所示典型船舶直流電網，構建其典型電路分析模型如下圖3所示。

圖3 直流電網電路分析模型

圖3中，E為蓄電池組內電勢，RL分別為蓄電池組電阻和電感；RL為從蓄電池組至逆變器供電支路的線路電阻和電感；RL為從蓄電池組至斬波器供電支路的線路電阻和電感；RL為從1號直流主配電板至逆變器直流側支撐電容之間的等效電阻和電感；RL為從1號直流主配電板至斬波器直流側支撐電容之間的等效電阻和電感；UU分別為逆變器直流側支撐電容電壓和斬波器直流側支撐電容電壓。

以逆變器支路為例進行分析，短路前，逆變器直流側支撐電容電壓為：

當斬波器支路短路觸發母聯限流斷路器Q3瞬時保護動作時，電網最高電壓為限流斷路器短路動作期間觸頭暫態恢復電壓arc，該電壓將施加于非故障的逆變器支路，且顯著高于作為供電電源的蓄電池電壓，類似圖2中所示。

考慮到為避免直流電網短路時各類變換器直流支撐電容對短路點放電，逆變器輸入回路一般均設計有反向截止晶閘管，保證短路期間逆變器直流支撐電容不會反向對外放電，如下圖4所示。

圖4 逆變器輸入電路拓撲

假設逆變器支撐電容在短路期間電壓不變，則短路后逆變器供電電壓與其直流側支撐電容間的最大電壓壓差為：

上述電壓差導致逆變器供電支路將流過的電流為i，則有如下關系：

從式（3）和（4）中可知，由于短路電流切除時斷路器觸頭暫態恢復電壓高于逆變器直流支撐電容，其將導致直流側支撐電容流過充電電流，且最高暫態恢復電壓越大，流過的電流也越大。

逆變器支路在短路故障切除恢復過程中流過的充電電流在限流熔斷器中產生的電流熱效應為：

由于暫態恢復電壓arc和支撐電容電壓均為變化量，式（3）和（4）聯立方程為變系數多階微分方程，難以直接理論求解。

為簡化分析，考慮最惡劣情形，即忽略支路電阻，并假設電網暫態恢復電壓arc一直為最大值arc-max，則可得如下關于i的簡化表達式：

則式（6）轉化為二階常系數微分方程，解析求解則可得上述式（5）中的最大值解析表達式為：

由此，比較式（7）計算得到的值與支路配置的限流熔斷器弧前2t值，若值大于弧前2t值，則短路恢復時流過逆變器的充電電流將有可能導致限流熔斷器熔斷，從而造成如圖1中非故障的逆變器支路保護動作，引起逆變器支路失電，造成電網選擇性保護失效；若值小于弧前2t值，則短路恢復時流過逆變器的充電電流將不會導致如圖1中非故障的逆變器支路限流熔斷器熔斷而使逆變器失電，符合電網選擇性保護要求。

3 直流電網保護設計改進分析

3.1 改進方案

針對船舶直流電網暫態恢復過電壓可能造成非故障支路流過電流而引發限流熔斷器誤保護動作問題，結合前述分析，可考慮采用母聯斷路器設置短延時保護與限流熔斷器配合或提高限流熔斷器通流能力，優化限流熔斷器選型設計的解決措施。

由于限流熔斷器動作很快，通過母聯斷路器設置短延保護可實現與限流熔斷器保護動作選擇性，但由于母聯斷路器設置了短延時保護后，不可避免的會導致單一短路故障影響全船直流電網，無法實現短路故障發生后不同母線快速解列獨立，保障非故障母線回路供電連續性，該方案在直流電網供電連續性極高的場合可能難以適用。

另一解決措施則是適當提高負載配置的限流熔斷器的額定電流和弧前2t值，在保證負載短路故障在滿足要求的動作時間內被切除即可，無需限流熔斷器過快保護動作。考慮到非故障支路限流熔斷器誤動作保護往往只可能出現在功率較小的負載支路中，適當提高限流熔斷器通流能力不會破壞直流電網選擇性保護設計，因此該方案更為合理可行。而提高限流熔斷器通流能力，適當延長熔斷動作時間，從孔徑、狹頸及銅排間隙等方面改進均可實現[7]。

3.2 匹配性分析

為合理設計限流熔斷器，需綜合考慮短路時保護動作時間與暫態恢復過電壓所產生的電流熱效應。為便于指導工程應用，根據前述分析，設計選擇限流熔斷器時只需保證其弧前2t值大于系統暫態恢復過電壓可能對非故障支路造成的充電電流熱效應值，即可保證短路保護的選擇性。

考慮到直流電網中存在多個逆變器、斬波器等負載支路，不同負載支路一般均設置直流支撐電容，斷路器動作時導致系統產生的暫態恢復過電壓而引起的充電電流將在不同的負載支路中被分流，從而單一支路中流程的充電電流將減小，如下圖所示。

圖5 多負載支路下暫態恢復過電流被分流示意圖

因此，依據前述分析中式（7）得到的最惡劣情形下非故障支路電流熱效應值，以包絡方式設計選型限流熔斷器可滿足不同場景下的系統選擇性保護設計要求，且工程應有簡單，實現難度小。

4 結語

船舶直流電網選擇性保護的快速性和高可靠性要求以及保護器械重量、體積等制約因素使采用限流熔斷器成為船舶電力系統進行保護設計的選擇方案，然而保護器械的快速動作使系統中不可避免的出現暫態恢復過電壓，進而導致非故障支路流過充電電流而引發支路限流熔斷器動作，造成直流電網非故障支路失電，使系統選擇性保護設計失效。針對這一問題，本文基于典型船舶直流電網選擇性保護設計方面，針對船舶直流電網短路恢復過電壓現象，從理論上分析得到了最惡劣情形下非故障支路暫態電流熱效應值，指出了其導致非故障支路限流熔斷器誤動作的原因及其對系統保護的影響，并據此針對性的提出了改進方案，開展了匹配性分析，通過相關改進可指導船舶直流電網選擇性保護設計優化完善，進一步提高船舶直流電網運行的安全可靠性。

[1] 樂春陽. 直流電網在大型船舶中的發展趨勢[J]. 造船技術, 2019(4): 5-10, 18.

[2] Bosich D, Vicenzutti A, Pelaschiar R, et al. Toward the future: The MVDC large ship research program[C]. aeit international annual conference, 2015: 1-6.

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[6] 劉思奇, 胡鵬飛, 江道灼,等. 中壓船舶直流供電系統限流開斷技術[J]. 電工技術學報, 2021, 36(S01): 14.

[7] 戴超, 莊勁武, 楊峰, 陳搏, 王晨, 江狀賢. 大電流電弧觸發式混合限流熔斷器分析與設計[J]. 電力自動化設備, 2011, 31(10): 81-85.

Study on the impact of short circuit recovery overvoltage on system protection of marine DC grid

Yan Lun1, 2, Wu Dali1, 2, Li Wenhua1, 2

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2. Hubei Key Laboratory of Marine Electromagnetic Detection and Control, Wuhan 430205, China)

U665

A

1003-4862（2023）10-0037-04

2023-02-09

鄢倫(1992-)，男，工程師。主要從事船舶電力系統分析與設計研究工作。E-mail: yanl719@163.com