楊云益，鐘琮瑋，張一山，錢勤標(biāo)，李瑋

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海201108

多供電模式艦船電力系統(tǒng)保護(hù)策略

楊云益，鐘琮瑋，張一山，錢勤標(biāo)，李瑋

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海201108

同時(shí)配置有柴油發(fā)電機(jī)組和逆變電源的艦船電力系統(tǒng)存在多種供電模式。由于逆變電源與柴油發(fā)電機(jī)組的短路輸出特性不同，各種供電模式下艦船電力系統(tǒng)的短路特性也存在較大差異。傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)保護(hù)策略已不能滿足多供電模式電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)的需求。針對此問題，提出基于斷路器本地測量數(shù)據(jù)、適應(yīng)多供電模式的系統(tǒng)保護(hù)策略，結(jié)合低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)，對逆變電源及負(fù)載斷路器進(jìn)行配置與整定。仿真結(jié)果表明，所提出的系統(tǒng)保護(hù)策略在逆變電源供電與柴油發(fā)電機(jī)組供電等模式下，均能實(shí)現(xiàn)較好的保護(hù)選擇性和速動(dòng)性，可為同類型艦船電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

逆變電源；電力系統(tǒng)保護(hù)；多供電模式；低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1321.008.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：楊云益，鐘琮瑋，張一山，等.多供電模式艦船電力系統(tǒng)保護(hù)策略［J］.中國艦船研究，2016，11（5）：113-119.

YANG Yunyi，ZHONG Congwei，ZHANG Yishan，et al.Protection technology for marine electric power systems with multiple power supply mode［sJ］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：113-119.

0　引言

隨著艦船電力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備被越來越多地應(yīng)用到民用或軍用船舶領(lǐng)域，并集中體現(xiàn)在用于各種推進(jìn)電機(jī)調(diào)速的變頻器以及用于常規(guī)負(fù)載供電的逆變器上。在電力電子技術(shù)的推動(dòng)下，涌現(xiàn)出了諸如西門子Bluedrive系統(tǒng)之類的艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，此類系統(tǒng)在燃油經(jīng)濟(jì)性、振動(dòng)噪聲等方面體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢［1-2］。

在此類電力推進(jìn)系統(tǒng)中，采用逆變電源將系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換為工頻交流電為日用負(fù)載供電，即逆變電源作為低壓交流系統(tǒng)的主要電源裝置。而在一些特殊的應(yīng)用場合，如考慮停泊機(jī)組的配置或特定工況降低系統(tǒng)的負(fù)荷率等需求，電力系統(tǒng)中也可另外配置柴油發(fā)電機(jī)組作為低壓電力系統(tǒng)的電源裝置。當(dāng)艦船同時(shí)配置了不限轉(zhuǎn)速的軸帶發(fā)電系統(tǒng)以及傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，其系統(tǒng)配置也包含2種不同類型的電源裝置。此類配置的電力系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可根據(jù)需要確定供電電源，效率較高；失電時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)迅速等。同時(shí)，配置2種電源裝置使得低壓系統(tǒng)供電模式變得多樣，即存在逆變電源、柴油發(fā)電機(jī)組單獨(dú)或并聯(lián)供電的情形。但是，多種供電模式也給系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

與柴油發(fā)電機(jī)組不同，逆變電源具有輸出短路限流的特性，其短路電流一般為額定電流的1.5～2倍［3-5］。由逆變電源供電的電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)與基于柴油發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)有較大差異。在陸上微電網(wǎng)研究領(lǐng)域，基于逆變電源供電的保護(hù)技術(shù)已有不少研究成果［6-8］，其中大量智能保護(hù)技術(shù)因其復(fù)雜度和可靠性方面的不完善尚不適合目前艦船電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)，但其中將電壓測量結(jié)果引入保護(hù)動(dòng)作策略的方法給逆變電源供電的艦船電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

而在艦船電力系統(tǒng)保護(hù)研究中，目前僅有部分針對單獨(dú)逆變電源或單獨(dú)柴油發(fā)電機(jī)組供電的系統(tǒng)保護(hù)策略研究成果［9-11］，針對含有多種類型電源的艦船多供電模式電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的研究尚屬罕見。多供電模式下艦船電力系統(tǒng)的保護(hù)策略如何兼顧逆變電源供電與柴油發(fā)電機(jī)組供電等多種模式是此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的新課題。本文擬在分析多供電模式電力系統(tǒng)特點(diǎn)及運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上，提出較為完善的電力系統(tǒng)保護(hù)策略，可作為同類型艦船電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)的參考。

1　系統(tǒng)運(yùn)行模式

配置逆變電源和柴油發(fā)電機(jī)組的多供電模式電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中：DG1，DG2表示柴油發(fā)電機(jī)組；DC/AC表示逆變電源；QG，QU分別表示柴油發(fā)電機(jī)組出口端斷路器和逆變電源出口端斷路器；QB表示母聯(lián)或跨接斷路器；Q1～Q4表示主配電板上的負(fù)載斷路器；Q11～Q14表示區(qū)配電板或分電箱上的負(fù)載斷路器；F1～F4為可能的典型短路點(diǎn)。圖中示意的電力系統(tǒng)配置了2臺(tái)低壓柴油發(fā)電機(jī)組和2套DC/AC逆變電源。柴油發(fā)電機(jī)組和逆變電源輸出工頻交流為低壓電站供電。系統(tǒng)存在以下幾種供電模式：

1）柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)或獨(dú)立向負(fù)載供電；

2）逆變電源并聯(lián)或獨(dú)立向負(fù)載供電；

3）柴油發(fā)電機(jī)組和逆變電源并聯(lián)向負(fù)載供電。

圖1　配置逆變電源和柴油發(fā)電機(jī)組的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Schematic diagram of shipboard power system with inverters and diesel generators

不同的供電模式可以在艦船不同的使用工況下取得較高的系統(tǒng)效率。如艦船航行時(shí)，主要采用逆變電源供電模式，逆變電源和電力推進(jìn)系統(tǒng)綜合使用供電系統(tǒng)提供的電能。當(dāng)供電系統(tǒng)負(fù)荷較大時(shí)，可采用逆變電源與柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)供電模式，降低供電系統(tǒng)負(fù)荷；而在艦船停泊時(shí)，采用柴油發(fā)電機(jī)組供電。

2　電源裝置與保護(hù)器件

2.1電源裝置保護(hù)特性

電力系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)中要兼顧多供電模式就必須以電源裝置的保護(hù)特性為基礎(chǔ)。兩種電源裝置中，柴油發(fā)電機(jī)組具有較強(qiáng)的短路輸出能力，當(dāng)其輸出側(cè)出現(xiàn)金屬性短路故障時(shí)，可提供較大的短路電流（一般達(dá)到額定電流的10倍以上），當(dāng)出現(xiàn)非金屬性短路時(shí)，可較長時(shí)間維持2～3倍以上的輸出電流。而逆變電源為電力電子設(shè)備，其通流能力有限，因此多設(shè)計(jì)有短路輸出限流的功能，其短路限流值一般為額定電流的1.5～2倍，輸出維持時(shí)間多設(shè)置為0.5～1 s。

2.2斷路器保護(hù)特性

電力系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)器件（QG，QU和QB）因額定電流較大，一般選用框架式斷路器，多設(shè)置有電子式智能脫扣器，具有三段式保護(hù)功能，即長延時(shí)、短延時(shí)和瞬動(dòng)保護(hù)，其保護(hù)電流整定值和動(dòng)作時(shí)間均可在一定范圍內(nèi)設(shè)定，如某型斷路器短延時(shí)保護(hù)電流值可在2～4倍額定電流之間整定，動(dòng)作時(shí)間可在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行選擇。負(fù)載斷路器（Q1～Q4，Q11～Q14）也可選用帶智能脫扣器的塑殼斷路器，具有三段式保護(hù)功能。

采用智能型脫扣器的斷路器，其參數(shù)整定方式可設(shè)定，易實(shí)現(xiàn)低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)［7-8］的嵌入，該技術(shù)在長延時(shí)時(shí)間的計(jì)算上引入電壓測量結(jié)果，對于短路時(shí)電壓跌落較大的場合，可加快斷路器的保護(hù)動(dòng)作，提高其速動(dòng)性。

3　保護(hù)原則與斷路器整定

系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)需兼顧不同的供電模式，而在不同供電模式下，系統(tǒng)短路特性差異較大。當(dāng)采用2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，F(xiàn)2點(diǎn)金屬性短路電流峰值可達(dá)單臺(tái)機(jī)組額定電流的20倍以上，當(dāng)采用2套逆變電源供電時(shí)，F(xiàn)2點(diǎn)金屬性短路電流僅為單套電源額定電流的3～4倍。在柴油發(fā)電機(jī)組與逆變電源并聯(lián)供電模式下，不考慮兩者之間的環(huán)流特性，系統(tǒng)短路特性與柴油發(fā)電機(jī)組供電模式相似。因此，系統(tǒng)保護(hù)策略需在傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)故障保護(hù)策略的基礎(chǔ)上，兼顧不同的供電模式，不能單獨(dú)以某一種供電模式為基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)設(shè)定，使另一種供電模式下系統(tǒng)保護(hù)的性能降低。

借鑒基于柴油發(fā)電機(jī)組供電的傳統(tǒng)艦船交流電力系統(tǒng)短路保護(hù)設(shè)計(jì)原則，兼顧系統(tǒng)各種供電模式下的保護(hù)，可采取以下保護(hù)設(shè)計(jì)原則：當(dāng)電站主干網(wǎng)絡(luò)或負(fù)載位置出現(xiàn)短路故障時(shí)，故障保護(hù)應(yīng)盡可能保證速動(dòng)性和選擇性；保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧金屬性短路與非金屬性短路；斷路器的整定采用本地信息，提高可靠性。根據(jù)該原則，斷路器需選用帶有智能型脫扣器的型號(hào)，并采取如下斷路器整定方法。

電源斷路器QG/QU、母聯(lián)斷路器QB設(shè)置短延時(shí)與長延時(shí)保護(hù)，不設(shè)瞬動(dòng)保護(hù)；QB短延時(shí)保護(hù)延遲時(shí)間小于QG/QU，例如可分別設(shè)為0.2和0.3 s；長延時(shí)保護(hù)整定時(shí)間也按同樣的大小順序整定，如可整定為在動(dòng)作電流時(shí)為10和20 s等。

主配電板負(fù)載斷路器Q1和Q4設(shè)置短延時(shí)、長延時(shí)保護(hù)，短延時(shí)保護(hù)延遲時(shí)間短于QB，如可設(shè)為0.05 s，長延時(shí)保護(hù)可采用低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)；負(fù)載斷路器Q2和Q3直接為負(fù)載供電，可設(shè)置瞬動(dòng)保護(hù)和長延時(shí)保護(hù)。

配電箱負(fù)載斷路器Q11～Q14設(shè)置瞬動(dòng)保護(hù)和長延時(shí)保護(hù)，其中長延時(shí)保護(hù)可采用低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)。負(fù)載斷路器的整定需能承受電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的沖擊而不動(dòng)作。

4　系統(tǒng)保護(hù)特性分析

4.1主干網(wǎng)絡(luò)短路保護(hù)特性分析

多供電模式電力系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)保護(hù)斷路器（QG，QU和QB）的整定方法與傳統(tǒng)基于柴油發(fā)電機(jī)組的電力系統(tǒng)保護(hù)方法一致，但因逆變電源的短路電流值較小，應(yīng)根據(jù)需要適當(dāng)降低其電流整定值。以下假設(shè)圖1中的F4點(diǎn)發(fā)生短路，并以此為例分析多供電模式下電力系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)短路保護(hù)特性。

假設(shè)短路故障出現(xiàn)在F4點(diǎn)，在3種模式下，QB均優(yōu)先于QU和QG分?jǐn)?，各段配電板可保持供電能力。若系統(tǒng)為柴油機(jī)發(fā)電供電模式，短延時(shí)后DG1恢復(fù)正常供電。若系統(tǒng)為逆變供電模式，短延時(shí)后逆變電源恢復(fù)正常供電，短路期間電壓跌落較大。若系統(tǒng)處于柴油機(jī)發(fā)電逆變并聯(lián)供電模式，短延時(shí)后DG1和逆變電源恢復(fù)正常供電，但要求逆變電源和柴油機(jī)發(fā)電發(fā)生短路故障時(shí)不產(chǎn)生較大的環(huán)流而使相關(guān)斷路器脫扣或電源停機(jī)，即無論處于何種供電模式，保護(hù)選擇性較好。且該設(shè)置可兼顧金屬性短路與非金屬性短路等情形。

從以上主干網(wǎng)絡(luò)短路保護(hù)特性分析可知，多供電模式下，主干網(wǎng)絡(luò)保護(hù)器件的整定方法與傳統(tǒng)基于柴油發(fā)電機(jī)組的電力系統(tǒng)保護(hù)一致，僅需適當(dāng)降低其短延時(shí)整定值，即可實(shí)現(xiàn)較好的保護(hù)選擇性，但同時(shí)需解決2個(gè)問題：

1）逆變供電模式下，短路時(shí)電壓跌落較大，可能引起交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載啟動(dòng)器失電，可采用帶延時(shí)功能的啟動(dòng)器接觸器，保證短路時(shí)電壓跌落不引起電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器跳閘。

2）逆變與柴油機(jī)發(fā)電并聯(lián)供電模式發(fā)生短路時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組和逆變電源之間應(yīng)不引起較大的環(huán)流，這可通過對逆變電源的并聯(lián)控制模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

4.2負(fù)載支路短路保護(hù)特性分析

4.2.1短延時(shí)保護(hù)

下面以Q1-Q11支路為例對負(fù)載支路的短路保護(hù)特性進(jìn)行分析。為實(shí)現(xiàn)良好的保護(hù)選擇性，無論在何種供電模式下，當(dāng)F1短路發(fā)生時(shí)，Q11應(yīng)先動(dòng)作，Q1不動(dòng)作，保證Q12負(fù)載支路的持續(xù)供電。

當(dāng)F1發(fā)生金屬性短路故障時(shí)，短路電流可達(dá)到電源裝置的最大短路輸出電流，通過對Q1設(shè)置短延時(shí)保護(hù)、Q11設(shè)置瞬動(dòng)保護(hù)來實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)的選擇性。Q1短延時(shí)保護(hù)電流整定值需小于逆變電源短路輸出限流值，整定時(shí)間可設(shè)置為0.05 s；Q11瞬動(dòng)保護(hù)電流整定值應(yīng)小于逆變電源短路輸出限流值，且應(yīng)大于對應(yīng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流，如負(fù)載中包含50 kW電動(dòng)機(jī)，其全壓起動(dòng)電流可達(dá)約1 kA，若單臺(tái)逆變電源短路輸出限流值為2 kA，則應(yīng)考慮斷路器整定誤差帶，將Q11瞬動(dòng)保護(hù)的整定值設(shè)置在1.2～1.8 kA。

同時(shí)，Q11應(yīng)進(jìn)行速動(dòng)設(shè)計(jì)，當(dāng)通過對應(yīng)于逆變電源輸出限流值的短路電流時(shí)，其分?jǐn)鄷r(shí)間應(yīng)盡量短。如Q11額定電流為100 A，單臺(tái)逆變電源短路輸出限流為2 kA時(shí)，應(yīng)對Q11分?jǐn)?0倍額定電流以上短路電流的動(dòng)作特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在柴油發(fā)電機(jī)組供電模式下，當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生金屬性短路時(shí)，其短路電流比逆變電源供電模式下的大，Q11的速動(dòng)性能更好，與Q1的選擇性配合更易實(shí)現(xiàn)。因此，無論是逆變電源供電模式、柴油發(fā)電機(jī)組供電模式還是柴油發(fā)電機(jī)組與逆變電源并聯(lián)供電模式，當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生金屬性短路時(shí)，Q1與Q11的故障保護(hù)選擇性均較好。

4.2.2長延時(shí)保護(hù)

負(fù)載支路的長延時(shí)保護(hù)主要針對負(fù)載端發(fā)生非金屬性短路故障或負(fù)載支路距離較遠(yuǎn)、短路阻抗較大的情形。為兼顧不同供電模式下的保護(hù)選擇性和速動(dòng)性，負(fù)載斷路器（Q1～Q4，Q11～Q14）建議采用低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)。

斷路器的長延時(shí)保護(hù)均遵循一定的反時(shí)限特性，其特性在智能脫扣器中編程實(shí)現(xiàn)。IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦了4種反時(shí)限過電流判斷方法，以下為“非常反時(shí)限”和“一般反時(shí)限”特性配置的斷路器動(dòng)作時(shí)間與故障電流的關(guān)系。其中：式（1）為“非常反時(shí)限”特性；式（2）為“一般反時(shí)限”特性。

式中：ts為長延時(shí)整定時(shí)間；Is為整定電流；I為流過斷路器的故障電流。

為兼顧逆變供電模式下短路故障保護(hù)的速動(dòng)性，盡量減小電壓跌落對供電網(wǎng)絡(luò)的影響時(shí)間，負(fù)載斷路器的長延時(shí)整定采用低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)［7-8］，“非常反時(shí)限”和“一般反時(shí)限”對應(yīng)的低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)特性曲線分別如式（3）和式（4）所示。

式中，U為斷路器檢測到的電壓值，一般可用標(biāo)幺值進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)長延時(shí)保護(hù)采用低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)后，可較好地實(shí)現(xiàn)短路時(shí)電壓跌落較大情況下對負(fù)載支路的選擇性保護(hù)。若為柴油發(fā)電機(jī)組供電或短路阻抗較大、電壓跌落較小，也可采用標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限過流判斷，動(dòng)作時(shí)間僅略有增加，即增加低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)特性的起動(dòng)條件，U＜Uset。當(dāng)電壓跌落較大時(shí)，起動(dòng)低電壓加速反時(shí)限過流判斷；若電壓跌落較小，則采用原反時(shí)限過流判斷。Uset可設(shè)定為Un/2。

負(fù)載支路頂端斷路器（Q1，Q4）采用低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)后，在逆變供電模式下，根據(jù)短路阻抗的不同，其動(dòng)作時(shí)間可能短于斷路器短延時(shí)整定時(shí)間，因此建議為動(dòng)作時(shí)間設(shè)置最小值限制，如50 ms，確保在末端Q11～Q14斷路器瞬動(dòng)動(dòng)作時(shí)間內(nèi)，Q1，Q4斷路器不動(dòng)作。若需區(qū)分?jǐn)嗦菲魇嵌萄訒r(shí)動(dòng)作還是低電壓加速反時(shí)限動(dòng)作，考慮到短延時(shí)整定及動(dòng)作誤差，可適當(dāng)增大該最小值限制。當(dāng)逆變供電F2點(diǎn)短路時(shí)，若短路阻抗小，Q1動(dòng)作時(shí)間約為50 ms。當(dāng)逆變供電F1點(diǎn)短路時(shí)，若短路阻抗小，Q1動(dòng)作時(shí)間不小于50 ms，可保證Q11瞬動(dòng)先動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作的選擇性。負(fù)載支路末端斷路器Q11～Q14則不設(shè)最小值限制，即將式（3）和式（4）中的0.05修改為0，使得在負(fù)載支路末端發(fā)生非金屬性短路時(shí)，也能快速分?jǐn)唷?/p>

當(dāng)采用以上長延時(shí)保護(hù)設(shè)定且系統(tǒng)處于柴油發(fā)電機(jī)組供電模式時(shí)，系統(tǒng)的長延時(shí)保護(hù)特性與傳統(tǒng)艦船基于時(shí)間電流原則的長延時(shí)保護(hù)特性一致，保護(hù)的選擇性較好。當(dāng)采用以上長延時(shí)保護(hù)設(shè)定且系統(tǒng)處于逆變電源供電模式時(shí)，系統(tǒng)的保護(hù)特性帶有低電壓加速特性，通過供電支路末端斷路器（Q11～Q14）和負(fù)載支路頂端斷路器（Q1，Q4）的低電壓加速反時(shí)限保護(hù)的配合，實(shí)現(xiàn)低電壓加速過流狀態(tài)下的選擇性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的保護(hù)速動(dòng)性。因此，采用低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)后，兼顧了2種供電模式下長延時(shí)保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性。

5　仿真結(jié)果

根據(jù)以上保護(hù)設(shè)置，對保護(hù)設(shè)定方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。主要對2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)供電和2臺(tái)逆變器并聯(lián)供電模式下的短路保護(hù)情況進(jìn)行仿真，其中，單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率為300 kW，單臺(tái)逆變器的額定功率為450 kW。2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)時(shí)短路電流峰值可達(dá)約15 kA，2臺(tái)逆變電源并聯(lián)時(shí)短路電流峰值可達(dá)約4.8 kA。

圖2所示為柴油發(fā)電機(jī)組供電模式下，模擬F3點(diǎn)發(fā)生金屬性短路時(shí)的母排電壓及單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組輸出的電流波形。短路電流峰值在達(dá)到約5 kA時(shí)，斷路器Q2瞬動(dòng)脫扣。在短路恢復(fù)后，出現(xiàn)了一定的過電壓。過電壓的產(chǎn)生是由于短路時(shí)機(jī)組仿真模型中勵(lì)磁控制模塊的超調(diào)而引起，實(shí)際系統(tǒng)中，斷路器分?jǐn)嘁矔?huì)產(chǎn)生一定的過電壓。

圖2柴油發(fā)電機(jī)組供電模式下F3點(diǎn)短路電壓和電流波形Fig.2Voltage and current waveforms when F3 short circuit occurred in mode of diesel generators supplying power

圖3所示為逆變電源供電模式下，模擬F3點(diǎn)發(fā)生金屬性短路時(shí)的母排電壓及單臺(tái)逆變器輸出的電流波形。當(dāng)斷路器Q2瞬動(dòng)脫扣時(shí)，在斷路器動(dòng)作過程中，逆變器輸出電壓出現(xiàn)了較大的諧波分量，同時(shí)短路電流也出現(xiàn)了較大的諧波分量。這是由于在短路瞬間，逆變器切換為限流控制模式，在控制模式轉(zhuǎn)換未完全完成時(shí)，斷路器脫扣，逆變器重新恢復(fù)為恒壓控制模式，控制模式的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)較大的諧波分量。

圖4所示為柴油發(fā)電機(jī)組與逆變電源并聯(lián)供電情況下F3點(diǎn)短路時(shí)的電壓電流波形。圖中，Idg和Iinv分別為Q2瞬動(dòng)脫扣時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組與逆變電源的輸出電流。由圖可知，2種電源并聯(lián)供電發(fā)生短路時(shí)，若不產(chǎn)生較大的環(huán)流，短路特性與柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)一致。

圖3　逆變電源供電模式下F3點(diǎn)短路電壓和電流波形Fig.3Voltage and current waveforms when F3 short circuit occurred in mode of inverters supplying power

圖4柴油發(fā)電與逆變電源并聯(lián)供電模式下F3點(diǎn)短路電壓和電流波形Fig.4Voltage and current waveforms when F3 short circuit occurred in mode of diesel generators and inverters parallel supplying power

圖5所示為逆變電源供電模式下，模擬F2點(diǎn)發(fā)生非金屬性短路時(shí)的母排電壓和單臺(tái)逆變器的輸出電流波形。此時(shí)，斷路器Q1短延時(shí)脫扣，延時(shí)時(shí)間為0.05 s。在短路過程中，逆變器輸出電壓存在一定的跌落，電壓跌落的幅度與短路阻抗有關(guān)，短路時(shí)逆變器限流至2倍額定電流輸出。此時(shí)，斷路器Q1的低電壓加速反延時(shí)脫扣特性不明顯。

圖5　逆變電源供電模式下F2點(diǎn)短路電壓和電流波形Fig.5Voltage and current waveforms when F2 short circuit occurred in mode of inverters supplying power

柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，若F2點(diǎn)發(fā)生短路，斷路器Q1將短延時(shí)脫扣，保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間與逆變電源供電時(shí)一致，僅短路電流較大。

柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，若F1點(diǎn)發(fā)生短路，根據(jù)短路阻抗的不同，短路電流峰值有較大差異。若短路電流超過Q11的瞬動(dòng)整定值，則Q11瞬動(dòng)脫扣；若短路電流小于Q11的瞬動(dòng)整定值，則Q11長延時(shí)脫扣，低電壓加速反時(shí)限特性較小，甚至無法啟動(dòng)。

當(dāng)逆變電源供電時(shí)，若F1點(diǎn)發(fā)生金屬性短路，Q11將瞬動(dòng)脫扣，保護(hù)動(dòng)作特性與圖3所示基本一致。若F1點(diǎn)發(fā)生非金屬性短路，根據(jù)短路阻抗的不同，Q11的動(dòng)作特性將體現(xiàn)出非常明顯的低電壓加速反時(shí)限脫扣特性。圖6所示即為逆變電源供電模式下，F(xiàn)1點(diǎn)處發(fā)生非金屬性短路時(shí)Q11和Q1處的電壓波形以及短路電流波形，短路阻抗為0.05 Ω，Q11和Q1之間電纜阻抗為0.05 Ω。Q11低電壓加速反時(shí)限脫扣時(shí)，其動(dòng)作時(shí)間比瞬動(dòng)脫扣長，比常規(guī)反時(shí)限脫扣短。同時(shí)，由于Q1處的電壓跌落較Q11處的小，Q1處的低電壓加速反時(shí)限特征不明顯，較好地實(shí)現(xiàn)了Q11和Q1處的保護(hù)選擇性。

對比來看，在逆變器供電發(fā)生短路時(shí)，由于短路點(diǎn)電壓跌落較大、短路電流小，低電壓加速反時(shí)限保護(hù)技術(shù)可有效提高Q1和Q11之間保護(hù)動(dòng)作的選擇性和速動(dòng)性；而柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，短路電流較大，電壓跌落較小，低電壓加速反時(shí)限保護(hù)技術(shù)體現(xiàn)不明顯，甚至無法啟動(dòng)，保護(hù)性能與傳統(tǒng)反時(shí)限保護(hù)性能相當(dāng)。

多供電模式下的短路保護(hù)仿真結(jié)果如表1所示。在短路點(diǎn)后同時(shí)給出了短路總阻抗（含短路阻抗及線路阻抗）。由表中可知，各個(gè)模式下不同的短路情形均能獲得較好的保護(hù)選擇性。

圖6　逆變電源供電模式下F1點(diǎn)短路電壓和電流波形Fig.6Voltage and current waveforms when F1 short circuit occurred in mode of inverters supplying power

表1　多供電模式短路保護(hù)仿真結(jié)果Tab.1Short circuit simulation results for multiple power supply modes

6　結(jié)語

針對包含逆變電源和柴油發(fā)電機(jī)組的多供電模式系統(tǒng)的保護(hù)問題，提出了適應(yīng)多供電模式的系統(tǒng)保護(hù)策略，結(jié)合低電壓加速反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)，對逆變電源及負(fù)載斷路器進(jìn)行了配置與整定。主干網(wǎng)絡(luò)斷路器保護(hù)配置方法與傳統(tǒng)基于柴油發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)保護(hù)配置方法一致；負(fù)載支路頂端（主配電板上的負(fù)載斷路器）采用短延時(shí)保護(hù)與低電壓加速反時(shí)限過電流保護(hù)相結(jié)合的方法進(jìn)行整定；負(fù)載支路末端（負(fù)載端）斷路器配置瞬動(dòng)保護(hù)和低電壓加速反時(shí)限過電流保護(hù)。仿真結(jié)果表明，以上配置方法在多供電模式下的系統(tǒng)保護(hù)兼顧了選擇性和速動(dòng)性，是基于斷路器本地?cái)?shù)據(jù)保護(hù)配置方法中較優(yōu)的一種，可為同類艦船電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

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Protection technology for marine electric power systems with multiple power supply modes

YANG Yunyi，ZHONG Congwei，ZHANG Yishan，QIAN Qinbiao，LI Wei
Shanghai Division，China Ship Development and Design Center，Shanghai 201108，China

Multiple power supply modes exist in marine electric power systems with both diesel generators and inverters.Since the short-circuit characteristics of inverters differ from those of diesel generators，the short-circuit characteristics of an electric power system are different for each power supply mode.Traditional power system protection technology based on the time-current principle is not suited to marine electric power systems with multiple power supply modes.To solve this problem，novel protection strategies that are suitable for marine electric power systems with multiple modes are developed using the local electric information of the breakers，and the inverters and load circuit breakers are configured and set on the basis of inverse-time over-current protection with low voltage acceleration.The simulation results indicate the selectivity and speed of short-circuit protection technology in the supply modes of diesel generators and inverters.In brief，this technology provides

for designing similar marine electric power systems.

inverter；power system protection；multiple power supply modes；inverse-time over-current protection with low voltage acceleration

U665.12

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.017

2015-11-26網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-9-21 13:21

楊云益，男，1977年生，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)

鐘琮瑋（通信作者），男，1984年生，博士，工程師。研究方向：艦船綜合電力系統(tǒng)。

E-mail：jacker001chq@zju.edu.cn