交流系统短路电流上升率特性分析及其应用*

周仕万 贺慧英 黄 靖 莫 斌

(海军工程大学电气工程学院 武汉 430033)

交流系统短路电流上升率特性分析及其应用*

周仕万 贺慧英 黄 靖 莫 斌

(海军工程大学电气工程学院 武汉 430033)

论文从船舶交流电力系统短路电流主要馈送来源着手,建立系统模型并对短路电流上升率进行数学公式推导,然后从船舶电力系统角度对决定短路电流上升率的因素进行分析,并讨论了不同短路角时短路电流的变化趋势对电流上升率的影响。通过对比仿真,给出一定船舶电力系统下具体短路点故障诊断时参考电流上升率的选取方法和条件。参考电流上升率的选取方法为船舶电力系统电流上升率作为故障诊断整定设定提供参考。

电力系统; 上升率; 短路角; 仿真

Class Number TM134

1 引言

随着船舶电力系统负载功率增大,常采用多电站并联运行。在船舶电网发生短路故障时,短路时短路电流上升率高达20A/μs以上,幅值高达30kA以上。船舶电网供电区段变多,配电级数增加。一直沿用的时间电流保护原则将不能提供如此多的时间等级;级数增多后,发生短路故障时容易造成上下级开关一起跳闸。现有的时间保护原则是靠延长切除故障时间来保证保护选择性,而故障时间的延长越长,对供电连续性越不利。

针对这一问题,国内外许多学者提出利用短路电流上升率作为整定参数,在短路电流峰值到来之前判断出故障,缩短故障诊断时间,为选择性保护提供更多的决策时间。文献[1]提出基于电流上升率的故障诊断方法,指出该方法只要适当选取参考电流上升率和参考电流,故障检测时间就能达到1ms之内,缩短故障的诊断时间,但没有给出在具体电力系统中参考电流和电流上升率的选取方法和条件。

本文从船舶交流电力系统短路电流主要馈送来源着手,建立系统模型并对电流上升率进行数学公式推导,然后从船舶电力系统角度对决定短路电流上升率的因素进行分析,并讨论了各影响因素对短路电流上升率的影响。通过对比仿真,给出具体船舶电力系统短路点故障诊断时参考电流上升率的选取方法和条件。参考电流上升率的选取方法为船舶电力系统电流上升率作为故障诊断整定设定提供参考。

2 船舶交流电力系统短路电流上升率计算方法

1) 船舶交流电力系统模型建立

船舶电力系统是一个孤立于海洋上的独立体,从发电、配电到用电设备相对集中。由于工作环境特殊,船舶电力系统和陆上电力系统相比,有明显的不同点[2]。

船舶电力系统以发电机作为主要电源,电力储备是有限的,不是无穷大电网,在短路电流计算时,要考虑发电机阻抗的影响;船舶电力系统主要负载是电动机,在发生短路故障时,旋转电动机是短路电流主要供给源之一;船舶电力系统要求配备足够数量的发电机组,以保证部分机组发生故障时的供电需要;船舶电站的电压等级比较低,相对短路电流较大,所以在计算短路电流时,必须考虑外电路阻抗的影响。

典型辐射型船舶电力交流系统如图1所示,短路电流主要由各类电机馈送到短路点[2～4]。

图1 船舶电力系统简化图

为确保船舶电力系统供电连续性,短路保护是最重要保护之一。因此,针对船舶电力系统短路电流和电流上升率计算具有重要意义。

2) 短路电流上升率估算

短路电流计算的结果用于校验所选开关的断流容量、电动力稳定性、为电力系统选择性保护整定提供数据、校验电气设备的热稳定性。计算中常需要计算的电流值有最大短路电流、最小短路电流、短路功率因素和稳态短路电流。

将电流上升率作为整定参量时,为了得到较高的检测灵敏度,短路电流应按最小运行工况进行计算[6～8]。计算条件：考虑容量最小的单台发电机提供的短路电流;不考虑电动机提供的短路电流。因此,本文在对系统短路点电流上升率计算时主要考虑发电机馈送的电流。

三相同步发电机空载突然短路A相短路电流计算公式[5]:

(1)

由于γ0与短路角有关,公式转换为

(2)

由短路电流计算式(2)可以推导出短路电流上升率计算公式:

(3)

由短路电流上升率计算公式可以看出：短路电流上升率与发电机参数、短路角、线路阻抗有关。

3 短路电流上升率分析及整定方法

1) 影响短路电流上升率因素分析

短路电流上升率取决于流过短路点的电流。利用短路电流上升率作为整定参量,其整定值设定必须从系统出发,综合考虑船舶电力系统中决定保护安装点电流及电流上升率的因素。

下面以图1所示的船舶电力系统为例,具体讨论影响短路点短路电流及电流上升率的主要因素。设G1、G2和G3为同型号发电机,其参数如下[9-10]:

xd=3.18(p.u),T″d=22.71ms,

ra=0.03(p.u),f=50Hz,

E=380V,S=1600kW

(1)短路角

假设A1点短路前系统工作在额定工况下电流为400A。A1点短路,发电机G1单机运行工况下,短路角为0≤θ≤2π,A1点短路前后其A相电流及电流上升率变化如图4所示。

图2 A1短路电流随短路角θ的变化

由图2(a)和2(e)可以看出短路电流初始上升率是额定电流上升率的十几倍。由图2(a)、2(b)和2(c)可以看出短路角θ不同时,短路后短路电流变化趋势不同,1/4周期内短路电流峰值不同,电流上升率也不同。图2(d)反映出A1点短路第一个短路在短路故障发生初始时刻,ABC三相短路电流上升率随短路角θ的变化趋势。因此,在整定时应考虑短路角对上升率的影响。

(2)系统运行工况

短路角θ取0,当A1点短路时,改变发电机运行台数,短路后1/4周期内,流过A1点的短路电流和率短路电流上升峰值如表1所示。

表1 不同发电机台数下短路电流和电流上升率峰值

由此可知,同一短路角不同系统运行工况下,流过同一短路点的短路电流不同,短路电流上升率也不相同。因此,为满足短路故障诊断灵敏度要求,短路电流及短路电流上升率计算应按最小运行工况进行计算,即只考虑容量最小的单台发电机提供的短路电流;为避免干扰,短路电流及短路电流上升率计算应按最大运行工况进行计算出任意短路角下最大电流上升率,超出此最大电流上升率为干扰。

(3)短路点位置

发电机G1单机运行工况下,短路角θ取0,当不同短路点短路时,流过短路点的短路电流峰值和短路电流上升率峰值表2所示。

表2 不同发电机台数下短路电流和电流上升率峰值

由此可知,短路点不同短路电流不同,短路电流上升率也不同。一般来说,对于如图1所示的辐射型配电网络,应根据系统参数,对每一断路器安装点流过的短路电流进行计算,然后进行计算整定。

2) 断路器短路电流上升率整定方法及步骤

为了对船舶电力系统配电网进行保护,断路器整定值设定是决定断路器能否准确检测出短路故障的关键[11]。在利用短路电流上升率进行整定时应综合考虑上述影响因素。

以图1中对断路器2进行短路电流上升率整定为例,整定值方法及具体步骤如下：

第一步：确定短路点,画出短路电流计算电路。假设断路器2保护本线段末端A1点短路时,最小、最大运行工况下,短路电流计算电路如图3所示。

图3 A1点短电流路计算短路

第二步：由短路电流计算电路,计算出最小运行工况下,ABC三相初始上升率中最大短路上升率相的最小值。计算公式为

MIN-MAX=min(max(DIA/dt,DIB/dt,DIC/dt))|t=o

(4)

最大运行工况下,ABC三相初始上升率中最大短路上升率相的最大值。计算公式为

MIN-MAX=max(max(DIA/dt,DIB/dt,DIC/dt))|t=o

(5)

由图2所示短路电流计算电路可知流过断路器2和A1点的电流相同。利用上述电流上升率估算方法计算,可以算出A1点短路前后ABC相初始短路电流上升率随短路角θ的变化如图4所示。

在图4中,确定运行工况下,MAX为短路初始时刻任意短路角下ABC三相中最大的短路电流上升率。由最小运行工况下的MAX可以求出MIN-MAX,由最大运行工况下的MAX可以求出MAX-MAX。

第三步：综合考虑ABC三相设定短路电流上升率整定值。为确保短路电流上升率诊断灵敏性和可靠性,考虑到正常工作下,噪声的干扰等因素,结合ABC三相短路初始电流上升率,选取MIN-MAX作为短路故障整定值,大于MAX-MAX即可认为是干扰。这样可以在短路初始时刻就能很好地诊断出短路故障,大大缩短了短路故障诊断时间。

图4 A1点短路初始电流上升率变化趋势

为验证计算结果,利用PSCAD电力系统仿真软件进行系统故障建模及故障仿真[12],对图1中A1短路进行仿真。A1点短路电路和短路电流及电流上升率的变化如图5所示,并利用上述方法进行整定。

由图5可以看出利用上述整定方法能够在短路电流峰值到来之前有效切除故障,缩短了故障诊断时间。

4 结语

短路电流上升率是流过短路点的电流变化率,取决于流过短路点的电流。利用短路电流上升率作为整定参量,其整定必须从系统出发,综合考虑了短路角、系统运行工况和短路点位置对船舶电力系统中决定保护安装点电流及电流上升率的影响。

给出了在固定系统下,短路电流上升率的求取方法,定义了作为短路故障整定值范围的MIN-MAX和MAX-MAX这两个参考量,并给出了求取方法。根据实例和仿真给出了利用电流上升率整定值时必须满足的条件。该整定方法有效缩短了短路故障诊断时间,可为后续选择性保护提供更多决策时间,为电流上升率作为整定参量在继电保护中的实际应用提供参考。

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Analysis and Application of AC Short Circuit Current Rising Rate Feature and Short-circuit Fault Diagnostic

ZHOU Shiwan HE Huiying HUANG Jing MO Bin

(School of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

This article discusses the main feed of the short-circuit current sources of ship power system firstyl, A system model of ship power system is created for deriving short-circuit current rate of rise of mathematical formulas, and then the determinants of short-circuit current rising rate are analyzed for the perspective of ship power system and the difference of short-circuit when the short-circuit current trends angle of impact on the current rate of rise is discussed. By comparing the simulation, the selection methods and conditions are iven for short circuit fault diagnosis on certain specific ship power system by the reference current rate of rise. The method of reference current rate of rise selection is tuning set as a reference for the current rate of rise of the ship power system fault diagnosis.

short-circuit current, rising rate, shorted angle, simulation

2014年5月11日,

2014年6月23日 作者简介:周仕万,男,硕士研究生,研究方向:电力系统安全运行。贺慧英,女,博士,副教授,研究方向:电力系统安全运行。黄靖,男,博士,讲师,研究方向:电力系统安全运行。莫斌,男,研究方向:电力系统安全运行。

TM134

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.047