岸電系統(tǒng)短路電流計算與保護(hù)配置研究

余墨多，黃文燾，邰能靈，陳振宇，李瑤虹，楊 斌

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海市 200240；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇南京 210024）

引言

岸電系統(tǒng)作為將岸上電力與船舶相連接的系統(tǒng)，是向船舶進(jìn)行分配與供給電能的重要環(huán)節(jié)，屬于電力系統(tǒng)末端的配電系統(tǒng)。在岸電技術(shù)方面，現(xiàn)有岸電相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)完備度逐步提升，適應(yīng)船用負(fù)荷供電應(yīng)用需求的能力不斷增強(qiáng)，國內(nèi)上海港、連云港港、深圳蛇口港和寧波港等港口開展了岸電示范工程應(yīng)用的前期探索。但岸電技術(shù)中還存在船舶岸電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置無標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)方案不健全等問題，以工程應(yīng)用服務(wù)為立足的岸電技術(shù)體系存在著連接后的保護(hù)配置這一關(guān)鍵技術(shù)需求[1-3]。

在實際的岸電系統(tǒng)中，岸電系統(tǒng)實際運(yùn)行中，由于船舶類型多樣，存在船岸并網(wǎng)參數(shù)匹配困難、保護(hù)參數(shù)難以整定、保護(hù)方案難以配置的問題[4-9]。同時，世界上的船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多種多樣，形式多變，在電壓等級、工作頻率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面存在不同的差異[10-11]。為提高岸電系統(tǒng)供電可靠性，須對不同的船舶電力系統(tǒng)的短路電流進(jìn)行計算分析，為岸電系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計和工程安排提供依據(jù)。

本文通過計算船舶岸電系統(tǒng)短路電流，對船舶岸電系統(tǒng)連接后進(jìn)行了故障分析。船舶短路電流的計算分為了電動機(jī)、變壓器、電纜及船岸連接電纜的計算。為了保證船舶岸電系統(tǒng)的安全，提出了一套無需對時的差動保護(hù)及改進(jìn)的電流保護(hù)。

1 船舶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用交流電的船舶供電線制一般采用三相三線絕緣系統(tǒng)或以船體作為中性線回路的三相四線系統(tǒng)[12-13]。三相三線絕緣系統(tǒng)是采用最為普遍的線制。以該線制工作時，三相系統(tǒng)的中性點(diǎn)不人為接地。對于船舶而言，采用這種方式時，各電網(wǎng)沒有直接電的聯(lián)系，互相影響較小。在保證電網(wǎng)中電力設(shè)備對地絕緣強(qiáng)度夠大時，不小心碰到任意一根電線的船員不會有觸電的危險。更為重要的時，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生單相接地短路時，電網(wǎng)并不存在短路回路，可繼續(xù)正常工作一段時間，這對于要求不間斷供電的船舶而言是至關(guān)重要的。但這種配電線制對于繼電保護(hù)裝置而言是不利的，并且出現(xiàn)單相接地故障時，其他非故障相的對地電壓會上升至原來的1.71 倍，這對于設(shè)備的絕緣是不利的。采用三相三線絕緣系統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采用三相三線絕緣系統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)

另外一種采用較多的線制是以船體為中性線回路的三相四線系統(tǒng)。該系統(tǒng)的三相系統(tǒng)中性點(diǎn)被認(rèn)為接地，其中“地”是導(dǎo)電的船體。這種線制有效地克服了三相三線絕緣系統(tǒng)的缺點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生單相接地短路時，由于中性點(diǎn)接地，因此非故障相的對地電壓將會保持在原來的值；同時，單相接地短路發(fā)生后，電源、故障相、短路點(diǎn)與船體形成電氣回路，會出現(xiàn)較大的短路電流，這有利于繼電保護(hù)裝置的判斷。此外，接地系統(tǒng)相較于三相三線絕緣系統(tǒng)，可以有效地引出單相電，并能夠節(jié)省變壓器。但是，在提高了繼電保護(hù)裝置工作靈敏度的同時，由于接地電流過大，容易出現(xiàn)故障，引發(fā)火災(zāi)；同時，在單相接地短路后，系統(tǒng)將不能正常工作，需要將故障立刻排除后才能繼續(xù)工作，相對而言，系統(tǒng)工作的連續(xù)性不能得到保證；該線制并非絕緣系統(tǒng)，同時與船體有著電氣連接，當(dāng)船舶上工作人員觸碰到某根電線時，容易發(fā)生觸電事故。該系統(tǒng)的示意圖如圖2 所示。

圖2 三相四線制的船舶電力系統(tǒng)

2 短路電流計算

為了能夠量化分析各種船舶岸電網(wǎng)絡(luò)的故障特性，本文對船舶上的電動機(jī)、變壓器、電纜及船岸連接電纜進(jìn)行了不同的建模，并依次進(jìn)行了短路電流計算。建立的短路電流計算模型能夠反映船舶岸電系統(tǒng)的短路電流水平。根據(jù)所計算出的短路電流，能夠進(jìn)行保護(hù)方案的設(shè)計與保護(hù)參數(shù)的整定，以更簡便、直接地計算出保護(hù)整定值。

2.1 阻抗計算

1）電動機(jī)的電阻、電抗與阻抗計算

電動機(jī)的超瞬態(tài)電阻、電抗與阻抗可按下式進(jìn)行計算：

在缺少確切數(shù)據(jù)時，以上公式的ηMcosφM可取0.76。

2）變壓器電抗、電阻與阻抗計算

電抗器的處理與變壓器相同。

3）電纜電抗與電阻計算

4）船岸連接電纜的電抗與電阻計算

在溫度為20 °C 時，單位長度上的電阻Kr按下式計算：

單位長度的電抗按下式進(jìn)行計算：

當(dāng)頻率f=50Hz 時：

n 為導(dǎo)體束中導(dǎo)體的根數(shù)，單根導(dǎo)體取n=1。

2.2 電網(wǎng)電源饋送短路電流計算

如圖3所示，已知岸上變電所對靠港船舶供電點(diǎn)Q的電壓UrQ，初始對稱短路視在功率或初始對稱短路電流（由陸上電業(yè)管理部門提供），則Q點(diǎn)電網(wǎng)電源的阻抗ZQ可按下列計算：

圖3 岸上供電系統(tǒng)及其等效圖

其中：c為電壓系數(shù)，根據(jù)電網(wǎng)電壓的等級按下列原則選?。?/p>

c=1.00，低壓系統(tǒng)230 V/400 V，50 Hz；

c=1.05，其他的低壓系統(tǒng)；

c=1.10，1kV以上的中高壓系統(tǒng)；

電源電網(wǎng)阻抗ZQ=RQ+jXQ，取其中RQ=0.1XQ，XQ=0.995ZQ

如圖4所示，岸上變電所通過電纜L向靠港船舶高壓配電板HSB供電，則F點(diǎn)的初始對稱短路電流可按下式計算：

圖4 電纜連接岸上供電系統(tǒng)及其等效圖

3 船舶岸電系統(tǒng)保護(hù)配置方案

3.1 無需對時的差動保護(hù)

電流差動保護(hù)具有絕對的選擇性，其性能不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，可以迅速切除和孤立故障區(qū)域。因此，針對傳統(tǒng)電流保護(hù)和距離保護(hù)在岸電系統(tǒng)中選擇性差、可靠性低的問題，電流差動保護(hù)應(yīng)是高壓船舶岸電系統(tǒng)線路保護(hù)的首選。

通常，輸電線路線的對地電容電流和雙端通信的對時問題成為影響差動保護(hù)速動性及動作閾值整定關(guān)鍵影響因素，給差動保護(hù)帶來了不利的影響。但是高壓船舶岸電系統(tǒng)由于電纜線路較短，因此將無需考慮以上兩個因素的影響，為差動保護(hù)的使用帶來便利。

1）差動保護(hù)基本原理

圖5所示為線路電流差動保護(hù)區(qū)內(nèi)、外短路示意圖，當(dāng)線路正常運(yùn)行以及被保護(hù)線路外部（如K2）點(diǎn)短路時，按規(guī)定的電流正方向看，M側(cè)電流為正，N側(cè)電流為負(fù)，兩側(cè)電流大小相等、方向相反，即當(dāng)線路內(nèi)部短路（如K1點(diǎn)）時，流經(jīng)線路兩側(cè)的故障電流均為正方向，且（為K1點(diǎn)短路電流）。利用被保護(hù)元件兩側(cè)電流和在區(qū)內(nèi)短路與區(qū)外短路時一個是短路點(diǎn)電流很大，一個幾乎為零，即構(gòu)成電流差動保護(hù)。

圖5 電流差動保護(hù)區(qū)內(nèi)、外短路示意圖

2）無需對時的差動保護(hù)

本保護(hù)方案基于基本的電流差動保護(hù)原理。考慮到高壓船舶岸電系統(tǒng)電纜長度短，因此岸上線路差動保護(hù)可直接利用聯(lián)絡(luò)線傳輸雙端電流信號，聯(lián)絡(luò)線安裝于電纜內(nèi)部，從而實現(xiàn)無需對時的差動保護(hù)。

由于電流互感器飽和、區(qū)外故障等原因造成的不平衡電流增大可能會導(dǎo)致非故障線路的差動保護(hù)誤動作。為了進(jìn)一步提高差動保護(hù)的可靠性，本保護(hù)方案引入故障確認(rèn)機(jī)制。

根據(jù)基爾霍夫定律，當(dāng)差動環(huán)內(nèi)部任意區(qū)域短路故障時，流入差動環(huán)的電流相量和不為0，而當(dāng)差動環(huán)外部區(qū)域故障時，流入差動環(huán)的電流相量和為0。因此，可利用差動環(huán)邊界上所有電流互感器測得的電流相量和是否為0 來對區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)區(qū)分。差動保護(hù)的確認(rèn)機(jī)制示意圖如圖6 所示。

圖6 差動保護(hù)跳閘確認(rèn)機(jī)制

如圖6所示，只有當(dāng)本地保護(hù)和差動環(huán)同時判斷區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，保護(hù)才出口跳閘信號，以此大大提高差動保護(hù)的可靠性。

3.2 改進(jìn)的電流保護(hù)

傳統(tǒng)電流三段式保護(hù)會受到船舶電動機(jī)負(fù)載饋送電流的影響。饋送電流雖不如短路電流，但也比額定電流高出許多，因此當(dāng)饋送電流流經(jīng)非故障線路保護(hù)裝置時，保護(hù)有可能誤動，造成保護(hù)可靠性的降低。

為解決饋送電流引起的誤動作，只需要在可能誤動作的相應(yīng)開關(guān)中安裝功率方向元件，當(dāng)流過該元件的電流為正常方向電流時，電流保護(hù)正常工作；當(dāng)流過該元件的電流為反向電流時，則電流保護(hù)閉鎖。以此提高電流保護(hù)的可靠性。

傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)選擇性差，針對此問題，結(jié)合岸電系統(tǒng)電纜長度短、通信方便的特點(diǎn)，提出自下而上逐級判斷的邏輯判斷原則，即發(fā)生故障時，下級線路依次向上級線路提供保護(hù)動作信號。當(dāng)下級保護(hù)動作出口，上級線路保護(hù)依次閉鎖；當(dāng)下級保護(hù)沒有發(fā)出跳閘信號，則上級保護(hù)正常工作。這種自下而上逐級判斷的邏輯判斷原則一方面可以提高電流保護(hù)的選擇性，另一方面也可以使上級保護(hù)成為下級保護(hù)的后備保護(hù)。改進(jìn)的電流保護(hù)邏輯框圖如圖7 所示。

圖7 改進(jìn)的電流保護(hù)邏輯框圖

3.3 船舶岸電系統(tǒng)保護(hù)配置方案

本文提出以無需對時的差動保護(hù)為主保護(hù)，改進(jìn)的電流保護(hù)為后備保護(hù)的保護(hù)方案。保護(hù)方案流程圖如圖8 所示。

圖8 船舶岸電系統(tǒng)保護(hù)方案

4 結(jié)語

岸電系統(tǒng)的繼電保護(hù)方案對于岸電系統(tǒng)的實際運(yùn)行與推廣有著至關(guān)重要的意義。本文首先分析船舶電力系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)，分析不同船舶系統(tǒng)的故障特性。其次對船舶電力系統(tǒng)的電動機(jī)、變壓器、電纜及船岸連接電纜繼續(xù)建模，并對不同結(jié)構(gòu)的船舶岸電系統(tǒng)進(jìn)行短路計算，通過具體分析得出了船舶岸電系統(tǒng)短路電流計算結(jié)果。根據(jù)分析與比對，提出了針對船舶岸電系統(tǒng)的兩種保護(hù)方案，分別是無需對時的差動保護(hù)與改進(jìn)的電流保護(hù)。利用以上保護(hù)方案，提出了適用于船舶岸電系統(tǒng)的綜合保護(hù)方案。