宋亞偉，沈 兵，陳 亮

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艦船中壓電力系統(tǒng)間歇性接地故障判定方法研究

宋亞偉，沈 兵，陳 亮

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

為了保證艦船中壓電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，本文對(duì)艦船電網(wǎng)存在的多種類型的接地故障進(jìn)行了分析，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了含有多條支路的仿真模型，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)的分析，最后得到了一種針對(duì)間歇性接地故障的判定方法。

艦船中壓電力系統(tǒng) 間歇性接地故障 MATLAB仿真分析 故障判定方法

0 引言

間歇性接地故障是艦船電力系統(tǒng)下的一種常見故障，而隨著艦船電力系統(tǒng)電壓等級(jí)從低壓提升到中壓，這不僅對(duì)電氣設(shè)備的絕緣與安全性能提出了更高的要求，而且也帶來了很多應(yīng)用的難題。艦船中壓系統(tǒng)中包含大量中壓設(shè)備并鋪設(shè)較長(zhǎng)的中壓電纜，對(duì)地電容影響不容忽視，在艦船電力系統(tǒng)具有較大對(duì)地電容時(shí)，一旦發(fā)生單相接地故障會(huì)產(chǎn)生較大的容性故障電流接地電弧不但不能自行熄滅，而且系統(tǒng)還要承受弧光接地過電壓（最高可達(dá)額定相電壓的3.5到5倍）。同時(shí)不斷發(fā)生的間歇性接地故障也對(duì)電氣設(shè)備的絕緣保護(hù)裝置造成過電壓的沖擊，長(zhǎng)時(shí)間的故障過電壓會(huì)嚴(yán)重降低電纜，發(fā)動(dòng)機(jī)絕緣可靠性。若無法及時(shí)排除故障，則極易從單相故障擴(kuò)大成為多相短路事故。

針對(duì)在艦船中壓電力系統(tǒng)下間歇性接地故障頻發(fā)的情況，找到一種檢測(cè)判定間歇性接地故障的方法具有很強(qiáng)的必要性和現(xiàn)實(shí)性。本文采用了間歇性檢測(cè)方法，來判斷系統(tǒng)是否有間歇性接地故障，并在Matlab/Simulink平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了故障判定仿真，得到了一種間歇性接地故障的判定方法。

1艦船中壓電網(wǎng)單相接地故障數(shù)學(xué)模型

在A相發(fā)生接地故障以后，該相電壓降為零，中性點(diǎn)電壓上升成相電壓。如果忽略負(fù)荷電流和電容電流在阻抗上的壓降，系統(tǒng)中A相對(duì)地電壓均為零，同時(shí)B相和C相對(duì)地電壓升高為原來的倍，即：

（2）

（3）

故障點(diǎn)的零序電壓為

在故障處非故障相中產(chǎn)生的電容電流為：

（5）

以下分析各線路的零序電流:

在非故障線路1上，A相電流為零，B相和C相流有本身的對(duì)地電容電流和，故線路1始端的零序電流為:

而在故障線路2上A相對(duì)地電容電流為零， B相和C相流有本身的對(duì)地電容電流和，全系統(tǒng)對(duì)地電容電流之和從接地點(diǎn)流回，其值為:

（8）

2艦船電力系統(tǒng)間歇性接地故障判定方法簡(jiǎn)述

由第一節(jié)可知，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，中性點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生零序電流，而發(fā)生間歇性接地故障、單次接地故障與金屬性接地故障的零序電流特性不同，所以可以把發(fā)生不同的故障模式的故障支路零序電流特性作為故障判據(jù)，來判定系統(tǒng)到底是否發(fā)生間歇性接地故障。首先通過測(cè)定系統(tǒng)中性點(diǎn)的零序電流與閾值0（艦船電力系統(tǒng)可能由于三相電容的不平衡造成中性點(diǎn)有一定的零序電流）比較來判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障，然后通過選線比較，將每條線路的零序電流幅值信號(hào)與閾值1比較，確定是哪條線路出現(xiàn)故障。再將得到的信號(hào)與1重復(fù)比較，當(dāng)大于1的次數(shù)大于次數(shù)閾值0時(shí)，確定系統(tǒng)發(fā)生了間歇性的接地故障。

3間歇性接地故障判定方法Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證

艦船中壓電力系統(tǒng)的接地故障選線的仿真，重點(diǎn)是完成輸電線路建模與參數(shù)設(shè)計(jì)。使用Matlab/Simulink中的Simpowersystems工具箱可以選擇π型等效電路模塊和分布參數(shù)線路模塊這兩種數(shù)學(xué)模型可以完成仿真設(shè)計(jì)，這兩種模型都考慮到了自阻抗和互阻抗的問題，比較理想。針對(duì)中壓艦船電力網(wǎng)絡(luò)線路支路眾多、傳輸距離短、負(fù)載影響大的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到在實(shí)際艦船中壓電網(wǎng)中，導(dǎo)線和船體之間存在集膚效應(yīng)，為保證仿真能較為準(zhǔn)確描述線路RLC參數(shù)的依頻特性，最終選擇分布參數(shù)模型，作為艦船電力網(wǎng)絡(luò)仿真分析的線路模型。

下圖為間歇性接地故障判定Matlab/Simulink仿真模型。

如圖2所示，是典型的多支路艦船中壓一次網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)置系統(tǒng)額定電壓為6.3 kV,系統(tǒng)頻率為50 Hz，中性點(diǎn)接地電阻設(shè)置為1212W，線路負(fù)載設(shè)置為RL負(fù)載，分布參數(shù)模型里電纜長(zhǎng)度選擇0.5 km作為支路長(zhǎng)度。這里的艦船電力網(wǎng)絡(luò)單相接地故障仿真建模以中壓艦船中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地系統(tǒng)為例，假設(shè)艦船電站連接四條支路，并在第四條線路上發(fā)生接地故障。本文根據(jù)艦船電網(wǎng)發(fā)生電弧故障的特點(diǎn)采用理想開關(guān)模型接地作為電弧接地的故障模型，設(shè)計(jì)合理的時(shí)間數(shù)來控制理想開關(guān)進(jìn)而達(dá)到模擬支路接地故障。

在模擬過渡電阻為500W和20000W的工況下，分別設(shè)置單次接地故障，金屬性接地故障和間歇性接地故障三種不同的故障模式，采集數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口都設(shè)置為0.6 s。對(duì)于單次接地故障，在0.3 s設(shè)置故障，0.32 s結(jié)束故障；對(duì)于金屬性接地，設(shè)置0.25 s處發(fā)生金屬性接地；對(duì)于間歇性接地故障，設(shè)置0.01 s到0.05 s，0.07 s到0.09 s，0.12 s到0.15 s，0.18 s到0.2 s， 0.26 s到0.29 s， 0.34 s到0.4 s，0.5 s到0.55 s的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生故障。同時(shí)設(shè)置零序電流閾值1在過渡電阻為500W時(shí)為1.5 A，在過渡電阻為20000W時(shí)為0.04 A。設(shè)置次數(shù)閾值0為5次，超過5次發(fā)生間歇性接地故障報(bào)警。采集窗口內(nèi)并采集在三種不同故障模式下故障線路的零序電流和零序電流幅值曲線，采集的故障波形如下圖所示：

圖2 多支路艦船中壓一次網(wǎng)絡(luò)模型

如圖3,圖4和圖5所示，虛線代表非故障支路的零序電流幅值波形，實(shí)線代表故障支路零序電流幅值波形，當(dāng)艦船電力網(wǎng)絡(luò)中的輸電電纜某點(diǎn)突然發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)的中性點(diǎn)零序電流會(huì)大于閾值0，故障線路和正常線路會(huì)產(chǎn)生不同的零序電流波形，可以通過對(duì)各線路零序電流的采集處理與閾值1比較來完成對(duì)間歇性接地故障的判定。

在0.6 s的檢測(cè)時(shí)間窗口內(nèi)，在過渡電阻為500W和20000W的設(shè)定工況下，故障模式A和故障模式B的零序電流幅值都只超過閾值1次，而故障模式C的零序電流幅值在過渡電阻為500W和20000W時(shí)都超過了閾值7次，超過了次數(shù)閾值0達(dá)5次，因此判定故障模式C發(fā)生了間歇性接地故障，從而完成了對(duì)艦船中壓電力系統(tǒng)下的間歇性接地故障的判定。

4總結(jié)

本文通過對(duì)艦船電力系統(tǒng)單相接地故障零序電流的數(shù)值分析和基于Matlab/Simulink的輸電線路故障仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)仿真，實(shí)現(xiàn)了在接地過渡電阻從500W到2000W很寬的幅度范圍內(nèi)對(duì)艦船電力系統(tǒng)在發(fā)生間歇性接地故障時(shí)的判定,為后期的快速準(zhǔn)確地定位絕緣故障提供了基礎(chǔ)，從而提高了艦船動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。

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Method to Determine Intermittent Grounding Fault Location in Medium Voltage Power System of Ship

Song Yawei, Shen Bing,Chen Liang

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to ensure reliable operation of shipboard medium voltage power system, In this paper, many types of grounding faults in shipboard power system are analyzed and studied. Meanwhile, a simulation model of shipboard medium voltage power system with multiple branches is built on Matlab/Simulink, and the simulation results are analyzed. Finally, a method to determine the intermittent grounding fault is obtained.

shipboard medium voltage power system; intermittent grounding fault; Matlab simulation analysis; grounding fault determination

TM711

A

1003-4862（2017）01-0010-03

2016-07-15

宋亞偉(1990-),男，碩士。研究方向：艦船電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。Email:fredericksoong@foxmail.com