程真啟

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船舶高壓電站短路故障保護(hù)算法研究

程真啟

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010）

對(duì)船舶高壓電站中的短路故障進(jìn)行了分析，提出了基于相敏保護(hù)的對(duì)稱性短路保護(hù)和基于負(fù)序電流的不對(duì)稱性短路保護(hù)方法，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，這兩種故障保護(hù)算法具有較高的可靠性和實(shí)時(shí)性，能夠滿足船舶高壓電站短路故障保護(hù)的要求。

船舶高壓電站 短路故障 保護(hù)算法

0 引言

高壓電站在現(xiàn)代船舶上的應(yīng)用已取得較好的效果，已成為某些特種船舶的首選[1]，是船舶電站的一個(gè)主要發(fā)展方向。短路故障是船舶電站故障中比較常見的一種故障，能直接影響船舶供電的安全性、可靠性和連續(xù)性。因此本文對(duì)短路故障的保護(hù)算法進(jìn)行討論，分析其不足之處，然后針對(duì)其缺陷，提出基于相敏保護(hù)的對(duì)稱性短路保護(hù)和基于負(fù)序電流的不對(duì)稱性短路保護(hù)。

1 短路故障分析

目前我國(guó)船舶高壓電站大多采用小電流接地系統(tǒng)[2]，所以對(duì)于船舶高壓電站來說，短路故障主要有兩相間、兩相對(duì)地及三相短路。對(duì)于船舶高壓電站短路故障，我們采用對(duì)稱分量法進(jìn)行分析。對(duì)稱分量法是將一組不對(duì)稱的三相電壓相量或三相電流相量分解成三組同頻率的對(duì)稱電壓相量或?qū)ΨQ電流相量，即正序分量、負(fù)序分量和零序分量。對(duì)稱分量如圖1所示。

圖1 正序、負(fù)序、零序電流的對(duì)稱分量圖

圖中，A+、B+、C+幅值相等，相位順時(shí)針方向互差120°，稱為正序分量；A-、B-、C-幅值相等，相位逆時(shí)針方向互差為120°，稱為負(fù)序分量；A0、B0、C0幅值相等，方向相同，稱之為零序分量。若以A相電流為基準(zhǔn)相，對(duì)稱分量的表達(dá)式為：

1.1單相接地短路

單相接地短路故障是短路故障中最常見的故障形式之一[4]。此時(shí)，系統(tǒng)線電壓仍然對(duì)稱，但是設(shè)備的絕緣電壓變?yōu)檎＿\(yùn)行時(shí)的倍。假定A相接地短路，則其相電壓為0，由對(duì)稱分量法可得：

因此可以看出，單相接地短路有以下特點(diǎn)：短路故障相中的各序電流大小相等，方向相同，而兩個(gè)非故障相中的電流均等于零；短路點(diǎn)故障相的電壓等于零，而非故障相電壓幅值相等。

1.2兩相短路

兩相短路也是一種常見故障，以B、C兩相發(fā)生短路故障為例，此時(shí)，，，。由式（1）可得：

因此，可知兩相短路的具有如下特點(diǎn)：短路電流和電壓中不存在零序分量，短路點(diǎn)正序電流和負(fù)序電流幅值相等，相位相反；兩故障相中短路電流的絕對(duì)值總是大小相等，方向相反，數(shù)值上為正序電流的倍；短路處兩故障相電壓總是大小相等，數(shù)值上為非故障相電壓的一半，兩故障相電壓相位總是相同，但與非故障相電壓方向相反。

1.3兩相接地短路

兩相接地短路雖然不常見，但也偶有發(fā)生。以B、C兩相發(fā)生接地短路為例，此時(shí)，，。

將上式取絕對(duì)值，可得短路相故障電流為：

由此可得兩相接地短路的特點(diǎn)為：兩短路相電流幅值總相等，短路電流遠(yuǎn)大于正常電流；短路點(diǎn)故障相電壓等于零。

1.4三相短路

三相短路是一種常見故障，發(fā)生三相短路時(shí)，只存在正序電流，不存在負(fù)序電流和零序電流。流過各短路相的電流大小相等，且與自身電壓相角差相等。短路電流為：

所以三相短路的特點(diǎn)為：三相短路電壓均為0；短路電流幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常電流。

2 短路保護(hù)原理及算法

由對(duì)稱性分量法可知，在三相短路時(shí)，由于電路是對(duì)稱的，短路電流周期分量也是對(duì)稱的，只需分析其中一相就可以了。但是，在系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱性故障時(shí)，電路的對(duì)稱性將受到破壞，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了三相不對(duì)稱電壓和電流，因此，可以利用這種不對(duì)性電壓和電流來判斷不對(duì)稱性故障[5]。

2.1對(duì)稱性短路保護(hù)

在船舶高壓電站中，一般三相對(duì)稱性短路故障是依據(jù)電流幅值來整定的：將短路保護(hù)電流設(shè)定為躲過最大容量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流及其它同時(shí)運(yùn)行設(shè)備的額定電流之和。這種保護(hù)的動(dòng)作特性如圖2所示。圖2中，曲線1是大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)特性，曲線2和3分別為三相短路不同整定值下的保護(hù)特性，a、a’、b、b’、c、c’分別為對(duì)應(yīng)曲線的反時(shí)限、定時(shí)限和速斷保護(hù)曲線。由圖可見，只要電流超過其整定電流，保護(hù)便立即動(dòng)作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)跳閘。但是電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)電流很大，與線路發(fā)生的短路電流相接近，因而使短路電流值的整定十分困難，有的保護(hù)裝置將短路電流的整定值設(shè)定為電動(dòng)機(jī)額定電流的10倍以躲開啟動(dòng)電流，這樣當(dāng)啟動(dòng)電流較大時(shí)，不能分辨出是發(fā)生三相短路還是電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)，容易發(fā)生誤動(dòng)作。也有些保護(hù)裝置利用延時(shí)幾秒鐘的方法，以躲開正常啟動(dòng)過程，但當(dāng)啟動(dòng)過程正好發(fā)生短路時(shí)，也無法對(duì)故障線路做出保護(hù)。

圖2 過流保護(hù)特性和大電流啟動(dòng)特性

船舶中使用的電動(dòng)機(jī)大多是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)電流很大，但是功率因數(shù)卻很低，而當(dāng)三相短路時(shí)，功率因數(shù)卻很高。因此，如果采用通過判斷電流加功率因數(shù)的方法，就可以有效地避免單純依靠電流幅值整定所帶來的缺陷。我們把這種保護(hù)稱之為相敏保護(hù)，相敏保護(hù)可以使三相短路保護(hù)的可靠性得到大大提高。

2.2不對(duì)稱性短路保護(hù)

相敏保護(hù)對(duì)于兩相短路、單相接地等不對(duì)稱性故障不具有保護(hù)特性。由上面的對(duì)稱分量變換過程可知，當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱性故障時(shí)，線路中將存在負(fù)序電流，因此可以利用兩相短路和單相斷相時(shí)負(fù)序電流的大小來判斷不對(duì)稱性故障。下面將不對(duì)稱性短路保護(hù)的算法分析如下：三相電流之間滿足關(guān)系：

把上式代入式（1）可得：

由上式可見，把A相電流向前移30°、C相電流向前移90°，再把兩個(gè)相量相加就可以得到負(fù)序電流[6]。設(shè)在一個(gè)采樣周期采樣次，將A相電流前移30°相當(dāng)于在時(shí)間軸取后30°的瞬時(shí)值，即第N/12采樣點(diǎn)的瞬時(shí)值作為當(dāng)前值；同理C相電流前移90°，相當(dāng)于在時(shí)間軸取90°后的瞬時(shí)值，即第N/4采樣點(diǎn)后的瞬時(shí)值為當(dāng)前值，即可得離散化的負(fù)序電流瞬時(shí)值：

式中，=(0, 1, …,-1)，_()為負(fù)序電流的離散采樣值，是一個(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù)。

而我們所要求的負(fù)序電流瞬時(shí)采樣值_()是由兩個(gè)周期相同的正弦量的瞬時(shí)采樣值相加所得，因而所得的結(jié)果仍為同一周期的正弦量，則根據(jù)上式可得：

3 短路故障保護(hù)算法的仿真分析

為了驗(yàn)證短路故障保護(hù)算法的正確性和靈活性，需要模擬船舶電站的動(dòng)態(tài)變化過程，對(duì)算法進(jìn)行仿真。下面利用Matlab為電力系統(tǒng)仿真提供的SimPowerSystems模塊對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1故障保護(hù)算法的S-函數(shù)實(shí)現(xiàn)

故障保護(hù)算法采用普通的Simulink模塊不容易搭建，對(duì)此使用Simulink支持的S-函數(shù)格式，S-函數(shù)可以采用Matlab、C/C++、Fortan等語言編寫。但由于實(shí)時(shí)仿真過程中需要將Simulink模塊轉(zhuǎn)化成C代碼并生成獨(dú)立文件，因此，算法必須采用C/C++語言編寫的S-函數(shù)。由于采用了三相序分量分析元件對(duì)正序、負(fù)序和零序分量中的電壓、電流進(jìn)行采集，因此算法的C語言實(shí)現(xiàn)起來就比較簡(jiǎn)單。通過將采集到的相序分量與故障保護(hù)設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，來控制三相斷路器的合/分閘，解除故障。

3.2短路保護(hù)算法仿真

短路故障仿真模型如圖3所示。使用理想三相電壓源作為供給電源，電源采用Y型接線類型，線電壓設(shè)為6000 V，A相初始相角設(shè)為0；使用分布式參數(shù)輸電線路作為傳輸電路，輸電線路Line1的長(zhǎng)度為3 km，輸電線路Line2的長(zhǎng)度為2 km；使用三相電路故障發(fā)生器進(jìn)行不同形式的短路；使用三相序分量分析元件采集故障保護(hù)中各序電流、電壓分量；使用選擇器對(duì)各相電壓、電流進(jìn)行有選擇的輸出；由Substem構(gòu)建的故障保護(hù)元件，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)算法，由此來控制三相斷路器的故障分閘。

圖3 短路保護(hù)仿真模型

3.2.1三相短路分析

1）故障點(diǎn)A相電壓、電流變化

用選擇器選取三相故障發(fā)生器所在的支路的電流和電壓，則故障點(diǎn)A相電流、電壓波形如圖4所示。由圖4可以得出如下結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，故障點(diǎn)A相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而電流為0，A相電壓實(shí)際是加在線路Line上的電壓，因此呈正弦規(guī)律變化。

在0.01 s時(shí)，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時(shí)電路發(fā)生三相短路故障，故障點(diǎn)A相電流發(fā)生明顯變化，由于閉合時(shí)有初始輸入量和初始狀態(tài)量，因而故障點(diǎn)A相電流波形下移，而A相電壓由于接地變?yōu)?。在0.04 s時(shí)，保護(hù)元件動(dòng)作，使三相電路短路故障發(fā)生器斷開，相當(dāng)于排除故障，此時(shí)故障點(diǎn)A相電流迅速變?yōu)?，而A相電壓要恢復(fù)到線路Line上的電壓，因此存在一段時(shí)間的暫態(tài)波動(dòng)。

圖4 故障點(diǎn)短路電流、電壓波形

圖5 支路Line的電流波形

2）支路Line的電流變化

支路Line電流變化如圖5所示。由圖可以看出，在故障瞬間，支路Line電流受故障點(diǎn)電流影響，發(fā)生了明顯變化，電流的劇烈增大給支路Line相設(shè)備帶來了極大的沖擊。

3.2.2兩相短路分析

在三相電路短路故障發(fā)生器參數(shù)中選擇A相故障和B相故障，即發(fā)生A、B相短路接地故障。激活仿真按鈕，進(jìn)行電路仿真。

1）故障點(diǎn)A相電流序分量波形圖

使用三相序分量分析元件中分別選中故障點(diǎn)A相電流正序、負(fù)序和零序分量作為測(cè)量值，進(jìn)行仿真，則A相電流正序、負(fù)序和零序分量波形如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 故障點(diǎn)A相電流正序分量波形

圖7 故障點(diǎn)A相電流負(fù)序分量波形

由圖可知：穩(wěn)態(tài)時(shí)，故障點(diǎn)A相電流正序分量由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而幅值為0，相角為0。在0.01 s時(shí)，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時(shí)電路發(fā)生A、B相短路，故障點(diǎn)A相正序、負(fù)序和零序電流發(fā)生變化，正序電流幅值迅速上升，相角先上升后下降；負(fù)序電流幅值迅速上升，相角突變大約360°后，下降至大約-30°時(shí)穩(wěn)定；零序電流幅值緩慢上升，相角經(jīng)過突變后，緩慢波動(dòng)上升。在0.04 s時(shí)，故障保護(hù)元件動(dòng)作，使三相電路短路故障發(fā)生器打開，相當(dāng)于排除故障，此時(shí)故障點(diǎn)A相電流正序分量的幅值下降，至0.06 s時(shí)幅值下降為65 A，相角上升，至0.06 s時(shí)恢復(fù)至故障前的數(shù)值；0.04 s故障點(diǎn)A相電流負(fù)序分量幅值下降，至0.06 s時(shí)幅值為0，相角繼續(xù)下降，至0.06 s時(shí)降為大約-90°，然后波動(dòng)穩(wěn)定到0；在0.04 s時(shí)，故障點(diǎn)A相電流零序分量幅值緩慢波動(dòng)下降，在0.06 s時(shí)發(fā)生突變，然后穩(wěn)定在0，0.04 s時(shí)相角繼續(xù)緩慢波動(dòng)上升，在0.06 s經(jīng)過突變后穩(wěn)定至110。需要注意的是：A相電流零序分量幅值很小，幾乎很難測(cè)出來。

2）支路Line的電流波形圖

選擇支路Line的A、B、C相電流作為測(cè)量電氣量進(jìn)行仿真，則A、B、C相電流如圖9所示。由圖9可以得出如下結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，支路Line的A、B、C相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而電流成正弦規(guī)律變化。在0.01 s時(shí)，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時(shí)電路發(fā)生A、B兩相短路接地，故障點(diǎn)A、B、C相電流發(fā)生變化，由于有初始輸入量和初始狀態(tài)量，因而故障點(diǎn)A相電流迅速下移，故障點(diǎn)B相電流上移，C相電流由于沒有發(fā)生故障而未發(fā)生變化。在0.04 s時(shí)，故障保護(hù)元件起作用，三相短路故障發(fā)生器打開，相當(dāng)于排除故障，此時(shí)A、B、C相電流迅速回復(fù)到故障前的狀態(tài)。

通過上面對(duì)短路故障的仿真分析，可以看出，采用相敏保護(hù)和負(fù)序保護(hù)原理對(duì)短路故障進(jìn)行分析，可以有效地避免短路事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)船舶高壓電站短路故障，結(jié)合對(duì)稱分量法，分析了兩相短路、兩相接地短路和三相短路中各序分量的幅值和相位關(guān)系。提出了采用具有較寬選擇余地的相敏保護(hù)原理對(duì)三相對(duì)稱性短路進(jìn)行保護(hù)，設(shè)計(jì)了基于負(fù)序電流的不對(duì)稱性短路保護(hù)算法。為了驗(yàn)證算法的有效性，采用Matlab對(duì)算法進(jìn)行了仿真，建立了故障保護(hù)仿真模型，給出了故障保護(hù)特性曲線，并對(duì)其進(jìn)行了分析。通過分析表明，本文所提到的故障保護(hù)算法具有較高的可靠性和實(shí)時(shí)性，能夠滿足船舶高壓電站短路故障保護(hù)的要求。

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Short-Circuit Fault Protection Arithmetic of Marine High Voltage Power Station

Cheng Zhenqi

(Marine Engineering Department of Nantong Shipping College, Nantong 226010, Jiangsu, Chia)

U665

A

1003-4862（2016）10-0049-06

2016-04-12

程真啟（1976-），男，講師/電機(jī)員。研究方向：船舶電氣設(shè)備及自動(dòng)化。