竇曉峰，劉文達(dá)

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

船舶環(huán)形配電網(wǎng)電流保護(hù)研究

竇曉峰，劉文達(dá)

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

分析了船舶電力推進(jìn)配電發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了艦船電力推進(jìn)環(huán)形配電網(wǎng)的方向性過流保護(hù)相關(guān)內(nèi)容，為后續(xù)的研究提供了參考。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng) 環(huán)形配電網(wǎng) 方向性過流保護(hù)

0 引言

隨著船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對于船舶電站的要求也越來越高，因此出現(xiàn)了一種船舶配電網(wǎng)絡(luò)—環(huán)形配電網(wǎng)，它能夠滿足船舶電力推進(jìn)所需要的穩(wěn)定性和可靠性。環(huán)形配電網(wǎng)具有可靠性高、生命力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此對環(huán)形配電網(wǎng)的探討研究具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的樹形配電網(wǎng)，它的供電可靠性比較低，當(dāng)母線處出現(xiàn)短路故障時，使得故障點(diǎn)后的負(fù)載全部失電。而環(huán)形配電網(wǎng)就能很好的解決這個問題，在環(huán)形配電網(wǎng)中每一個用電設(shè)備都能從兩個線路得到電能，因此當(dāng)其中一個線路發(fā)生故障，不會導(dǎo)致設(shè)備失電，從而提高了配電網(wǎng)供電可靠性。

文獻(xiàn)[1]討論船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，文獻(xiàn)[2][3]討論環(huán)形配電網(wǎng)的供電可靠性，文獻(xiàn)[4]討論供電系統(tǒng)的過流保護(hù)。本文討論船舶環(huán)形配電網(wǎng)的方向性過流保護(hù)，將方向性過流保護(hù)引入環(huán)形配電網(wǎng)，能夠滿足環(huán)形配電網(wǎng)電流保護(hù)的要求，并通過仿真驗(yàn)證方法的正確性。

1 環(huán)形配電網(wǎng)方向性過流保護(hù)

1.1 傳統(tǒng)電流保護(hù)

傳統(tǒng)電流保護(hù)是由電流速斷保護(hù)、限時電流速斷保護(hù)和定時限過流保護(hù)三個部分組成，即為三段式保護(hù)。電流速斷保護(hù)只能保護(hù)一部分線路，限時電流速斷保護(hù)可以保護(hù)線路全長，但不能為相鄰線路提供后備保護(hù)，而定時限過流保護(hù)可以為本條線路和相鄰線路提供后備保護(hù)。

近年來，隨著各國海軍對艦船電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的要求越來越高，使得艦船綜合電力推進(jìn)技術(shù)得到快速發(fā)展。綜合電力推進(jìn)技術(shù)將環(huán)形配電網(wǎng)應(yīng)用到船舶中，可以對全船的能源進(jìn)行統(tǒng)一管理、綜合利用、有效分配。在環(huán)形配電網(wǎng)中，傳統(tǒng)的三段式保護(hù)將不能滿足選擇性的保護(hù)要求。如圖1、圖2所示。

圖1 K1點(diǎn)短路故障

圖2 K2點(diǎn)短路故障

對過電流保護(hù)而言，若K1點(diǎn)發(fā)生短路，且t2＜t3，則會導(dǎo)致保護(hù)2發(fā)生誤動作；若K2點(diǎn)發(fā)生短路，且t3＜t2，則會導(dǎo)致保護(hù)3發(fā)生誤動作。

要保證保護(hù)2與保護(hù)3同時不發(fā)生誤動作，即要求t2＜t3且t3＜t2，這是無法做到的。所以，需要在傳統(tǒng)三段式保護(hù)基礎(chǔ)上做出改進(jìn)才能滿足環(huán)形配電網(wǎng)的保護(hù)性要求。假定短路功率從母線流向線路為正方向，那么可以得到當(dāng)發(fā)生誤動作時，其短路功率為反方向，因此將方向性過流保護(hù)引入環(huán)形配電網(wǎng)。方向性過電流保護(hù)是在原有過電流保護(hù)基礎(chǔ)上加裝功率方向元件，并且設(shè)定功率為正方向時保護(hù)元件動作，而功率為反方向時保護(hù)元件不動作。方向性過流保護(hù)需要同時滿足3個條件才能動作，分別是：

1) 電流大于動作電流設(shè)定值；

2) 功率方向?yàn)檎?/p>

3) 電流持續(xù)時間超過動作時間限定值。

1.2 方向性過電流保護(hù)理論

方向性過電流保護(hù)是由傳統(tǒng)過電流保護(hù)和功率方向元件組成，其核心是功率方向元件。

圖3為功率方向繼電器的接線圖，其中方框表示功率方向元件，設(shè)定相量Ur超前相量Ir60°。則有：

當(dāng)在正方向（K1點(diǎn)）發(fā)生短路故障時：φrA=φk=60°；

當(dāng)在反方向（K2點(diǎn)）發(fā)生短路故障時：φrA=180+φk=240°。

即當(dāng)UrIrcos(φr-φk)＞0時，則故障發(fā)生在正方向，功率方向元件動作；當(dāng)UrIrcos(φr-φk)＜0時，則故障發(fā)生在反方向，功率方向元件不動作。

若功率方向元件輸入的電壓和電流不發(fā)生變化，則輸出動作量會隨電壓與電流之間的相角φr發(fā)生變化，即：Pr=UrIrcosφr。

在正方向短路的情況下，將功率方向元件接成最大靈敏角φsen，此時輸出動作量最大，元件的動作也最迅速。即在正方向（K1點(diǎn)）發(fā)生短路故障時，動作輸出量UrIrcosφr最大，UrIrcos(φr-φk)=UrIrcos0°=UrIr。

此時φr=φk=φsen，其中φk代表線路的阻抗角，一般情況下，線路的阻抗角即為該線路的最大靈敏角。因此，可以得到φr的范圍為：

圖3 功率方向繼電器接線圖

1.3 方向性過流保護(hù)方法

方向性過流保護(hù)主要是由功率方向判別元件來實(shí)現(xiàn)，它分為信號形成、信號移相、濾波、信號轉(zhuǎn)化、方向判別、輸出六個部分，其構(gòu)成框圖如圖4所示。

功率方向元件最關(guān)鍵的部分是方向判別，它的作用是判斷電流信號與電壓信號方向是否相同。當(dāng)功率方向元件的輸出為1，說明電流信號和電壓信號方向相同，則功率方向元件動作；當(dāng)輸出為0，說明電流信號和電壓信號方向相反，則功率方向元件不動作。由于電路中電流會發(fā)生波動，會出現(xiàn)短時過流情況，因此要求方向功率元件具有延時功能，不能因?yàn)殡娏鞫虝r過高而動作，同時延時不能超過一個周期，否則導(dǎo)致誤判。

圖4 功率方向元件構(gòu)成框圖

表1 故障時移相角α的取值范圍

2 仿真驗(yàn)證

首先，確定移相角α的取值范圍。

3 結(jié)語

本文利用方向性過流保護(hù)的方法對船舶環(huán)形配電網(wǎng)供電保護(hù)進(jìn)行研究，最后通過仿真驗(yàn)證了該方法具有良好的過電流保護(hù)性能，能保證整個電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)安全運(yùn)行具有理論意義和實(shí)際參考價(jià)值。

[1] 馬偉明. 艦船動力發(fā)展的方向-綜合電力系統(tǒng)[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 14(6)∶ 1-6.

[2] 尚成枝, 王德明, 朱志宇. 艦船環(huán)形區(qū)域配電結(jié)構(gòu)及可靠性分析[J]. 船電技術(shù), 2009, 29(1)∶ 38-39.

[3] 霍綜斌, 劉維亭, 梁世清. 艦船環(huán)形區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性分析[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2008, 30(5)∶29-31.

[4] 侯計(jì)兵. 電力系統(tǒng)反時限過流保護(hù)優(yōu)化整定計(jì)算研究[D]. 武漢∶ 華中科技大學(xué), 2011.

Current Protection for Shipboard Loop Power Distribution System

Dou Xiao Feng，Liu Wen Da

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

The development of ship's electric propulsion power distribution is analyzed, the directional over-current protection of shipboard loop power distribution system is introduced, which provides reference for study.

marine electric propulsion system; loop power distribution system; directional over-current protection

TM773

A

1003-4862（2015）08-0048-03

2015-04-21

竇曉峰（1990-），男，助理工程師。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。