基于行波法的中压舰船电网接地故障选线方法仿真分析

2013-05-05王宏亮沈兵陈亮

船电技术 2013年12期

王宏亮，沈兵，陈亮

王宏亮，沈兵，陈亮

（海军工程大学电气工程学院电气工程系，武汉 430033）

为了确保舰船电网的继电保护正确与可靠，本文对舰船电网单相接地故障进行了简单的数值分析，同时运用MATLAB对舰船电网进行数学建模并进行了相关仿真分析，针对舰船电网的特殊环境以及现有接地故障选线技术，验证了基于行波法的舰船电网接地故障选线技术的可行性。

舰船电力系统接地故障选线 Matlab仿真分析暂态信号行波

0 引言

目前，很多中压舰船的接地故障选线是在舰船的总配电盘和照明系统的分配电盘上装监视装置，即所谓的“地气灯”（图1）。该方法根据三个灯的明暗程度进行故障线路选择。这种选线速度较慢，选线过程复杂，人工操作较为繁琐。

针对上述人工拉路法选线技术的不足，借鉴陆地上较为成熟的选线技术并针对舰船电力网络的技术特点对相关方法进行了研究分析，认为利用暂态信号的选线方法具有灵敏度高、可靠性大的优点，能够满足舰船电网接地故障快速准确选线判断的要求[1]。利用接地故障时的暂态特征量，主要有首半波法、能量法、PRONY法、小波分析法等等[2,5]。在这里，以行波法为基础，以小波分析为工具，提取出舰船电力网络单相接地故障后的暂态电流行波并做小波变换处理，根据小波变换后的大小与方向对故障线路做出判断。

图1 “地气灯”原理图

1 舰船电网单相接地故障数学分析

当舰船电网A相发生接地故障时，会得到相应的向量图2。

通过图2可知，在故障点处各相对地电压的情况为：

在故障处B相和C相（非故障相）产生的流向故障点的电容电流为：

此时，从故障处A相接地点流过的电流是整个配电网非故障相（B相和C相）的电容电流的总和，即：

在故障线路（假设为第n条线路）上所反应的零序电流为：

其有效值为：

2 仿真模型的建立

中压舰船接地故障选线的仿真，输电线路建模与参数设计是重点。MATLAB中的Simpower systems工具箱给出了p型等效电路模块和分布参数线路模块供使用者选择。这两种数学模型都考虑到了自阻抗和互阻抗的问题，比较理想。

这里的舰船电力网络单相接地故障仿真建模以中压舰船中性点经高电阻接地系统为例，假设舰船电站连接四条支路，并在第四条线路上发生接地故障。舰船电力网络仿真模型如图3所示。

本文根据舰船电网发生电弧故障的特点采用了“控制论”模型[3]，即用理想开关模型接地作为电弧接地的故障模型，设计合理的时间参数来控制理想开关进而达到表征电弧故障产生和消失的用途。通过接地模块与传输线的直接连接实现接地。

3 故障的仿真分析

当舰船电力网络中的输电电缆某点突然发生单相接地故障时，会在故障点迅速产生故障行波，这些故障行波以电压或电流的形式向线路两端传播[5]。该行波本身是一种暂态故障分量，只有在发生接地故障时才会产生，正常运行的系统传输线路中是不存在的[4]。当线路4某处发生故障时（故障时刻T=0.035 s），在仿真模型故障线路处检测到的三相电压与电流波形图如图4所示。

从仿真图形4中，可以清楚的看到，当舰船电力系统发生单相接地故障时，电压和电流会在故障发生时刻发生剧烈震荡。随后的故障相电压近似为零，而其它两相电压近似变为原来的1.63～1.75倍。同时，电力网络中会由于中性点电压产生位移而出现零序电压与零序电流。在故障暂态时刻，包含丰富的故障信息，可以为舰船电网接地故障选线技术的研究提供支持。

对此，可以将电网故障发生时刻一段时间的电流行波提取出来，如图5所示。

行波是一种故障信号[5]。行波信号在线路上传播所发生的折反射现象会导致各线路初始行波极性与大小的不同，是舰船电网单相接地故障选线的重要判据。“db 5”小波对于检测含有突变点的信号有显著的作用。利用小波变换对奇异点检测原理，对电流行波进行小波变换，可以清晰地确定信号突变点位置。

利用小波变换对行波信号进行的细节处理，可以清晰的看到在时间t ≈ 0.035附近会有一次比较剧烈的变化。这就是阶跃信号的突变时刻。对各线路进行小波变换模极大值分析，得到故障与非故障线路的小波变换模极大值图（图6）。

图3 MATLAB仿真图

图4 故障后三相电流波形图

图5 故障电流行波

通过对图6各线路正向电流行波的“db5”小波变换图的观察，可以明显的看出故障线路在故障发生时刻与非故障线路波形图的极性与大小明显不同，这便构成了我们舰船电力系统接地故障选线的基本判据。

4 结束语

本文通过对舰船电力系统一定的数值分析和基于MATLAB/SIMULINK的输电线路故障仿真平台的分析，能够实现对传统舰船电力系统接地故障选线技术的优化,对舰船电网接地故障选线研究具有一定的指导作用。但相关的故障模型需要进一步完善，如何更好的将行波与小波分析法实践到舰船电力系统当中，也有待于深入研究。