舰船中压电力系统间歇性接地故障判定方法研究

宋亚伟，沈 兵，陈 亮



舰船中压电力系统间歇性接地故障判定方法研究

宋亚伟，沈 兵，陈 亮

（海军工程大学，武汉 430033）

为了保证舰船中压电网的可靠运行，本文对舰船电网存在的多种类型的接地故障进行了分析，在Matlab/Simulink环境下搭建了含有多条支路的仿真模型，并对仿真结果进行了相关的分析，最后得到了一种针对间歇性接地故障的判定方法。

舰船中压电力系统 间歇性接地故障 MATLAB仿真分析 故障判定方法

0 引言

间歇性接地故障是舰船电力系统下的一种常见故障，而随着舰船电力系统电压等级从低压提升到中压，这不仅对电气设备的绝缘与安全性能提出了更高的要求，而且也带来了很多应用的难题。舰船中压系统中包含大量中压设备并铺设较长的中压电缆，对地电容影响不容忽视，在舰船电力系统具有较大对地电容时，一旦发生单相接地故障会产生较大的容性故障电流接地电弧不但不能自行熄灭，而且系统还要承受弧光接地过电压（最高可达额定相电压的3.5到5倍）。同时不断发生的间歇性接地故障也对电气设备的绝缘保护装置造成过电压的冲击，长时间的故障过电压会严重降低电缆，发动机绝缘可靠性。若无法及时排除故障，则极易从单相故障扩大成为多相短路事故。

针对在舰船中压电力系统下间歇性接地故障频发的情况，找到一种检测判定间歇性接地故障的方法具有很强的必要性和现实性。本文采用了间歇性检测方法，来判断系统是否有间歇性接地故障，并在Matlab/Simulink平台上实现了故障判定仿真，得到了一种间歇性接地故障的判定方法。

1舰船中压电网单相接地故障数学模型

在A相发生接地故障以后，该相电压降为零，中性点电压上升成相电压。如果忽略负荷电流和电容电流在阻抗上的压降，系统中A相对地电压均为零，同时B相和C相对地电压升高为原来的倍，即：

（2）

（3）

故障点的零序电压为

在故障处非故障相中产生的电容电流为：

（5）

以下分析各线路的零序电流:

在非故障线路1上，A相电流为零，B相和C相流有本身的对地电容电流和，故线路1始端的零序电流为:

而在故障线路2上A相对地电容电流为零， B相和C相流有本身的对地电容电流和，全系统对地电容电流之和从接地点流回，其值为:

（8）

2舰船电力系统间歇性接地故障判定方法简述

由第一节可知，当发生接地故障时，中性点会产生零序电流，而发生间歇性接地故障、单次接地故障与金属性接地故障的零序电流特性不同，所以可以把发生不同的故障模式的故障支路零序电流特性作为故障判据，来判定系统到底是否发生间歇性接地故障。首先通过测定系统中性点的零序电流与阈值0（舰船电力系统可能由于三相电容的不平衡造成中性点有一定的零序电流）比较来判定系统是否发生故障，然后通过选线比较，将每条线路的零序电流幅值信号与阈值1比较，确定是哪条线路出现故障。再将得到的信号与1重复比较，当大于1的次数大于次数阈值0时，确定系统发生了间歇性的接地故障。

3间歇性接地故障判定方法Matlab/Simulink仿真验证

舰船中压电力系统的接地故障选线的仿真，重点是完成输电线路建模与参数设计。使用Matlab/Simulink中的Simpowersystems工具箱可以选择π型等效电路模块和分布参数线路模块这两种数学模型可以完成仿真设计，这两种模型都考虑到了自阻抗和互阻抗的问题，比较理想。针对中压舰船电力网络线路支路众多、传输距离短、负载影响大的特点，同时考虑到在实际舰船中压电网中，导线和船体之间存在集肤效应，为保证仿真能较为准确描述线路RLC参数的依频特性，最终选择分布参数模型，作为舰船电力网络仿真分析的线路模型。

下图为间歇性接地故障判定Matlab/Simulink仿真模型。

如图2所示，是典型的多支路舰船中压一次网络模型，设置系统额定电压为6.3 kV,系统频率为50 Hz，中性点接地电阻设置为1212W，线路负载设置为RL负载，分布参数模型里电缆长度选择0.5 km作为支路长度。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。本文根据舰船电网发生电弧故障的特点采用理想开关模型接地作为电弧接地的故障模型，设计合理的时间数来控制理想开关进而达到模拟支路接地故障。

在模拟过渡电阻为500W和20000W的工况下，分别设置单次接地故障，金属性接地故障和间歇性接地故障三种不同的故障模式，采集数据的时间窗口都设置为0.6 s。对于单次接地故障，在0.3 s设置故障，0.32 s结束故障；对于金属性接地，设置0.25 s处发生金属性接地；对于间歇性接地故障，设置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的时间段内发生故障。同时设置零序电流阈值1在过渡电阻为500W时为1.5 A，在过渡电阻为20000W时为0.04 A。设置次数阈值0为5次，超过5次发生间歇性接地故障报警。采集窗口内并采集在三种不同故障模式下故障线路的零序电流和零序电流幅值曲线，采集的故障波形如下图所示：

图2 多支路舰船中压一次网络模型

如图3,图4和图5所示，虚线代表非故障支路的零序电流幅值波形，实线代表故障支路零序电流幅值波形，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，系统的中性点零序电流会大于阈值0，故障线路和正常线路会产生不同的零序电流波形，可以通过对各线路零序电流的采集处理与阈值1比较来完成对间歇性接地故障的判定。

在0.6 s的检测时间窗口内，在过渡电阻为500W和20000W的设定工况下，故障模式A和故障模式B的零序电流幅值都只超过阈值1次，而故障模式C的零序电流幅值在过渡电阻为500W和20000W时都超过了阈值7次，超过了次数阈值0达5次，因此判定故障模式C发生了间歇性接地故障，从而完成了对舰船中压电力系统下的间歇性接地故障的判定。

4总结

本文通过对舰船电力系统单相接地故障零序电流的数值分析和基于Matlab/Simulink的输电线路故障仿真平台的实验仿真，实现了在接地过渡电阻从500W到2000W很宽的幅度范围内对舰船电力系统在发生间歇性接地故障时的判定,为后期的快速准确地定位绝缘故障提供了基础，从而提高了舰船动力系统的可靠性。

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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

宋亚伟(1990-),男，硕士。研究方向：舰船电力系统安全运行。Email:fredericksoong@foxmail.com