船舶中压直流系统接地保护研究

靳攀峰，毕大强，孟遂民

（1. 三峡大学，湖北宜昌 443002；2. 清华大学，北京 100084）

船舶中压直流系统接地保护研究

靳攀峰1，毕大强2，孟遂民1

（1. 三峡大学，湖北宜昌 443002；2. 清华大学，北京 100084）

由于船舶中压直流电网的特殊性，现有差动保护和变流器保护不能满足整个系统保护的可靠性要求。本文以一种船舶中压直流系统为例，研究了中性点高阻接地方式的接地故障特性，分析了差动保护方案和变流器保护的不足，提出了通过电子式电流互感器进行测量的零序差动和特征频率电压接地保护方案，提高了保护灵敏度。通过SIMULINK仿真分析验证了该保护方法具有可行性。

船舶 中压直流系统 接地故障 差动保护

0 引言

船舶向着大型化、高速化、多功能化方向发展，而船舶系统容量的增大给传统低压电力系统带来了一系列问题：故障短路电流增加、网络结构复杂、线路损耗大[1]。因此，提高供电系统的电压等级成为电站向大容量发展的方向。虽然中压交流系统具有设备维修量少、安全性高、线路损耗小等优点[2]，但交流电制也存在一些固有矛盾，增加了实际应用中的难度，主要有：减少干扰谐波、发电机严格同步、无功功率治理、交流电源电制转换不易。

当采用直流电制，或至少将输配电部分改为直流时，以上问题迎刃而解。因此，直流电制成为船舶电力系统发展的新方向[3]。直流区域配电系统核心思想是电能的传输和分配以直流为主，在用户端进行电能的变换。与交流系统相比，船舶直流系统具有更好的稳定性、抗干扰能力强、对于非线性负载有免疫能力、有良好的能量利用率、在维护重要负载持续供电方面、网络重构实现更加容易[4]。

然而，对于综合电力系统中独特的中压直流配电网络，目前还没有形成较成熟的保护理论体系，但由于该网络结构的特点，在直流网络中差动保护可能成为基础保护[5]。针对直流母线短路故障，差动保护比瞬时保护具有更优的选择性[6]；高速限流重合闸装置保护方法对于短路故障选择性较好[7]。对于逆变侧故障通过逆变器控制信号关断器件，限制短路电流，隔离故障[8]。针对船舶直流电力系统过流保护提出采用电压源变流器方案，电压源变流器在故障时利用控制信号将交流侧短接引起交流断路器跳闸进行保护[9]。但是，已有研究均未明确中性点接地方式，对于中性点高阻接地系统，接地故障时，短路电流变化小，甚至低于互感器的测量误差，使保护灵敏度和可靠性降低。本文以一种船舶直流系统结构为例，分析了接地故障特性，提出了接地保护方案，通过仿真研究了该保护方案的可行性。

1 系统结构

船舶中压电力系统的接地方式分为中性点绝缘接地、中性点高阻接地、中性点低电阻接地和中性点直接接地[10]。

对于采用中性点直接接地的系统，当系统发生接地故障时，整个系统会立即脱扣，这对配电设备是非常安全的，但整个电力系统会处于断电状态。而采用中性点绝缘系统，整个系统不会发生脱扣，可以继续“带病”工作，对于电力系统相对安全，但不利于故障线路的自动检测。中性点经高阻接地系统，不仅限制了接地故障电流，提高了系统安全性，而且也利于故障线路的自动检测。

本文所研究的中压直流系统结构如图1所示，多相发电机经整流器向系统供电，整流得到1500 V电压，进线母线额定电流为2000 A，电源中性点经100 Ω电阻接地，电能通过进线母线输送到1500 V直流汇流排，再通过馈线母线经3相H桥逆变器向推进电机供电以及直流负载供电。24脉波不可控整流器如图2所示，由4个6脉波整流器并串联组成[11]。单相H桥逆变器如图3所示，3个单相逆变器并联，同时把调制波相位超前或滞后120°可构成3相H桥逆变器。

图1 系统结构图

图2 整流器结构图

图3 单相逆变器结构图

2 接地保护原理及仿真实例分析

2.1 直流母线接地保护

直流进线母线采用差动保护，为了减小电流互感器（CT）传变误差以及系统不平衡电流的影响，差动保护特性常采用两折线特性或多折线特性。其动作特性的曲线是过原点的直线，为线性制动特性，制动系数为常数，各支路的制动特性无区别，因此可以统一计算制动电流[12]。为保证有足够的灵敏度，差动电流值应按照大于各CT最大误差值，而小于母线发生各种类型短路的最小总短路电流来进行整定。

采用电子式电流互感器（ECT）进行测量，具有较高精度，参照IEC60044-8标准，在一次电流值为10%～120% In的测量范围内，测量误差小于0.2%，在120%～400% In测量范围内的误差小于0.5%。假设选用一次电流值为4000 A，系统在额定负载运行时，进线母线额定电流为2000 A，测量处的电流在10%～120% In，故此时互感器的测量误差为2000×0.2%=4.0 A。

当进线母线发生接地故障时，如图4所示（1个直流电源代表1个6脉波整流器），采集正极性进线母线两端电流分量，由于受中性点电阻的影响，故障电流为750÷100 =7.5 A，进线母线电流变化7.5 A，过渡电阻为90 Ω。故差动保护灵敏度低、可靠性差。

为提高保护灵敏度，可以采用直流零序差动保护，本文选用电流互感器一次侧电流值为50 A，则最大测量误差仅为50×0.2%=0.1 A。简化电路如图5所示，短路点K1、K2分别为正母线、负母线接地故障，is1、is2分别为直流母线首末端差动电流，当3.0 s时，进线正母线发生短路接地故障，is1、is2流入故障点K1；进线负母线发生短路接地故障，is1、is2流出故障点K2。差动电流波形如图6所示，差动电流值Id=is1+is2分别为7.5 A和-7.5 A（短路点流入大地的方向为正），故障时刻电流冲击是由于逆变器输入端电容的充放电造成的。负母线短路时，中性点电流波形如图7所示，最大零序电流Io.max为7.5 A。

图4 正母线短路接地电路图

图5 母线短路接地电路图

图6 差动电流波形

正母线短路接地故障的判据为：

图7 负母线接地短路时中性点电流波形

负母线短路接地故障的判据为：

为防止差动保护在外部短路时误动，动作电流门槛Id0按躲过发生接地短路故障时产生的最大不平衡电流计算：

式中Kk为可靠系数，Kk取1.3～1.5；fi为电流互感器幅值误差，fi取0.1；I0.max为故障时零序电流最大值，所以

斜率k取0.6，当3.0 s时母线发生接地短路故障，继电器监测到|Id|满足此判据，再通过Id的方向可以判断是哪条母线故障，由于故障时各负载电压电流几乎无变化，故继电器发出警报信号，校验灵敏性，过渡电阻为1500 Ω，差动电流达到门槛值1.1 A。

2.2 逆变侧接地保护

逆变是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，实现把直流电能变换成交流电能。以A相为例，T1、T2、T3、T4的驱动信号由正弦波和高频三角波（1000 Hz）瞬时相比较确定。图4中滤波电感L与滤波电容C构成输出低通滤波器，R为考虑滤波电感L的等效串联电阻、死区效应、开关管导通压降、线路电阻等逆变器中各种阻尼因素的综合等效电阻。逆变侧负载短路接地故障发生在逆变侧滤波器与推进电机之间的线路上，监测中性点特征频率电压峰值。

正常情况下，由于整流脉动的影响，系统中性点的电压有不平衡分量，且主要是直流分量，谐波1000 Hz电压分量的幅值为0.2 V。当逆变侧负载接地故障时，逆变的交流电流通过大地和中性点电阻形成回路，如图8所示，逆变器侧的高频交流分量（主要是逆变器开关频率1000 Hz）叠加到中性点电阻上，使其电压发生变化。根据奈奎斯特定理，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，要求采样频率为信号最高频率的2倍。当3.0 s发生接地故障时，通过FFT分析得出两种故障下中性点1000 Hz电压波形的峰值，中性点电压波形如图9所示，中性点1000 Hz电压最大值为736 V。

通过监测中性点1000 Hz电压的峰值|U|，其动作判据：

Uset大于正常时特征频率电压峰值、电压互感器误差及切除各种短路故障导致中性点1000 Hz电压分量峰值的最大值，且小于各种接地短路时的特征频率电压峰值。选用准确度为0.2级的电子式电压互感器，最大误差为736×0.2%=1.5 V。稳态切除故障时，中性点1000 Hz电压峰值见表1。

所以Uset按切除各种短路故障导致中性点1000 Hz电压分量峰值的最大值1.5倍整定，即0.6×1.5=0.9 V；延时时间为1.0 s，启动中央报警、事件记录、故障录波。校验灵敏度，过渡电阻Rg=50 kΩ。

3 结语

船舶中压直流网络有其自身的特点，针对中性点高阻接地系统的接地故障，采用零序差动保护的方法，提高了保护的灵敏度和可靠性。

逆变侧接地故障采用特征频率（逆变器开关频率）电压峰值保护，其保护具有较高的灵敏度。通过SIMULINK仿真，验证了保护方案的可行性。

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Research on Grounding Fault Protection for Shipboard Medium Voltage DC System

Jin Panfeng1，Bi Daqiang2，Meng Suimin1

(1. China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China; 2.Tsinghua University, Beijng 100084, China）

Because of the particularity of the shipboard medium voltage DC power grid, differential and inverter protection can not meet the reliability requirements of total system protection. Based on a shipboard medium voltage DC system, grounding fault characteristics of the neutral point grounding by the high resistance is researched, and the disadvantage of differential protection and inverter protection is analyzed, thus the grounding protection scheme of the zero sequence differential protection and the characteristic frequency voltage protection via electronic current transformer (ECT) are proposed, and the sensitivity of protection is improved in this method. The simulation analysis validates the feasibility of protection methods by SIMULINK.

ship; medium voltage DC system; grounding fault; differential protection

TM744

A

1003-4862（2013）05-0004-04

2012-09-03

三峡大学硕士学位论文培优基金（2012PY037）

靳攀峰（1985-），男，硕士研究生。研究方向：电力系统保护与控制。