船舶直流電網(wǎng)短路恢復(fù)過電壓對(duì)系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)影響研究

鄢 倫，吳大立，李文華

應(yīng)用研究

船舶直流電網(wǎng)短路恢復(fù)過電壓對(duì)系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)影響研究

鄢 倫1, 2，吳大立1, 2，李文華1, 2

（1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205；2. 海洋電磁探測(cè)與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205）

直流電網(wǎng)是船舶電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，受保護(hù)器械重量、體積等制約因素使采用限流熔斷器成為船舶直流電網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)的選擇方案，然而保護(hù)器械的快速動(dòng)作使系統(tǒng)中出現(xiàn)的暫態(tài)恢復(fù)過電壓可能引起非故障支路限流熔斷器熔斷，造成選擇性保護(hù)失效。本文面向船舶直流電網(wǎng)短路恢復(fù)過電壓現(xiàn)象，從理論上分析研究了其對(duì)系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)的影響，并針對(duì)性的提出了改進(jìn)方案和工程應(yīng)用方法，可指導(dǎo)船舶直流電網(wǎng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化完善，提高船舶直流電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。

直流電網(wǎng) 限流熔斷器 恢復(fù)過電壓 選擇性保護(hù)

0 引言

近年來，隨著節(jié)能減排要求的不斷提高以及大功率電力推進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)電力電子變流技術(shù)的迅猛發(fā)展，更加具備經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行靈活性的直流電網(wǎng)逐漸成為船舶電力系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。為確保船舶直流電網(wǎng)短路后迅速切除、隔離故障，完善的保護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)船舶直流電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行，提高全船電網(wǎng)供電連續(xù)性具有重大意義[3]。

由于船舶電力系統(tǒng)規(guī)模小、供電距離短，不論是采用整流發(fā)電機(jī)或者蓄電池直接供電的船舶直流電力系統(tǒng)，當(dāng)其供電負(fù)載側(cè)短路時(shí)均可能在短路點(diǎn)產(chǎn)生高達(dá)百kA級(jí)的短路電流。為更快的切除短路故障，基于限流熔斷器的船舶直流電網(wǎng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)方案成為廣泛應(yīng)用的方案之一[4]。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常根據(jù)負(fù)載額定電流、短路保護(hù)切除時(shí)間要求等因素，在電網(wǎng)中設(shè)計(jì)配置合適的限流熔斷器。結(jié)合工程應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)性以及合理性，為實(shí)現(xiàn)負(fù)載短路時(shí)快速切除短路故障，一般要求限流熔斷器動(dòng)作時(shí)間在10 ms以內(nèi)，以提高全船電網(wǎng)供電連續(xù)性和可靠性。

然而，對(duì)于更加典型的多母線供電結(jié)構(gòu)的船舶直流電網(wǎng)，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路故障時(shí)，母聯(lián)限流斷路器或限流熔斷器快速動(dòng)作時(shí)，會(huì)導(dǎo)致直流電網(wǎng)出現(xiàn)短路暫態(tài)恢復(fù)過電壓，使非故障支路輸入電壓與電網(wǎng)電壓存在較大的壓差，進(jìn)而可能導(dǎo)致非故障支路流過較大的電流，引起非故障支路配置的限流熔斷器動(dòng)作熔斷，造成非故障支路失電，導(dǎo)致直流電網(wǎng)選擇性保護(hù)失效。

針對(duì)這一過去未引起充分重視和關(guān)注的問題，本文基于當(dāng)前典型船舶直流電網(wǎng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)方案，面向船舶直流電網(wǎng)短路恢復(fù)過電壓現(xiàn)象，研究了其對(duì)系統(tǒng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)的影響，并針對(duì)性的提出了保護(hù)設(shè)計(jì)改進(jìn)思路和工程應(yīng)用方案，通過相關(guān)改進(jìn)可指導(dǎo)船舶直流電網(wǎng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化完善，進(jìn)一步提高船舶直流電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。

1 船舶直流電網(wǎng)典型選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)方案

船舶直流電網(wǎng)由于供電線路距離短，遠(yuǎn)端短路電流與近端短路時(shí)電流差別較小，為兼顧實(shí)現(xiàn)船舶直流電網(wǎng)保護(hù)選擇性與快速性，并充分考慮直流框架式斷路器或固態(tài)斷路器等解決方案帶來的體積、重量大等制約因素[5-6]，當(dāng)前典型的基于限流熔斷器進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)的方案示意圖如下圖1所示。

圖1 船舶直流電網(wǎng)典型保護(hù)設(shè)計(jì)方案示意圖

圖1所示方案實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)保護(hù)選擇性的基本原理為利用電源側(cè)配置的框架式斷路器瞬時(shí)保護(hù)固有動(dòng)作時(shí)間或通過設(shè)置短延時(shí)，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)短路時(shí)，蓄電池等電源饋送的短路電流導(dǎo)致負(fù)載側(cè)限流熔斷器快速熔斷，而框架式斷路器未動(dòng)作，即利用兩者的時(shí)間差構(gòu)成選擇性保護(hù)。

具體而言，圖1中逆變器支路1處短路時(shí)，蓄電池組饋送的短路電流將流過框架式斷路器Q1和逆變器支路的負(fù)荷開關(guān)Q2和限流熔斷器，通過對(duì)限流熔斷器的弧前2t值進(jìn)行恰當(dāng)設(shè)計(jì)，并通過對(duì)斷路器Q1設(shè)置短延時(shí)保護(hù)，即可實(shí)現(xiàn)逆變器支路限流熔斷器在10 ms以內(nèi)動(dòng)作熔斷，切除短路故障，且此時(shí)斷路器Q1不動(dòng)作，保證了蓄電池組仍可繼續(xù)向其他負(fù)載供電。

對(duì)于多母線供電結(jié)構(gòu)的直流電網(wǎng)，如圖1中設(shè)置的1號(hào)直流主配電板和2號(hào)直流主配電板，并通過母聯(lián)開關(guān)Q3構(gòu)建供電通路。對(duì)于高供電可靠性場(chǎng)合，為實(shí)現(xiàn)單條母線出現(xiàn)短路等故障時(shí)不影響其他供電母線，常常將母聯(lián)開關(guān)Q3配置為限流斷路器，以通過短路時(shí)觸發(fā)母聯(lián)限流斷路器瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)不同母線快速解列，保障非故障母線回路供電連續(xù)性。具體而言，當(dāng)圖1中斬波器支路2處短路時(shí)，蓄電池組饋送的短路電流將流過框架式斷路器Q1、母聯(lián)限流斷路器Q3和斬波器支路的負(fù)荷開關(guān)Q4和限流熔斷器，該短路電流會(huì)導(dǎo)致母聯(lián)限流斷路器Q3瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作（最快1 ms以內(nèi)），使1、2號(hào)直流主配電板獨(dú)立，從而保證蓄電池組可繼續(xù)向1號(hào)直流主配電板下的逆變器支路供電。

2 短路恢復(fù)過電壓及其對(duì)保護(hù)影響分析

2.1 短路恢復(fù)過電壓現(xiàn)象

針對(duì)船舶直流電網(wǎng)典型保護(hù)設(shè)計(jì)方案，由于限流熔斷器或限流斷路器動(dòng)作時(shí)間很短，同時(shí)整流發(fā)電機(jī)或蓄電池等短路電流均很大，一般高達(dá)數(shù)十kA，如此巨大的短路電流在10 ms以內(nèi)被保護(hù)器械切除時(shí)，必然導(dǎo)致系統(tǒng)中電流變化率很大，從而在系統(tǒng)中產(chǎn)生暫態(tài)恢復(fù)過電壓。某一船舶直流電網(wǎng)負(fù)載短路時(shí)電網(wǎng)電壓變化曲線如下圖2所示。

圖2 某一船舶直流電網(wǎng)負(fù)載短路時(shí)電網(wǎng)電壓變化曲線

從圖2中可看出，該船舶直流電網(wǎng)電壓在短路期間跌落到幾乎為0，短路被切除電網(wǎng)電壓恢復(fù)期間最高電壓升高到超過1400 V，短路切除后電壓恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)850 V，最高暫態(tài)電壓與穩(wěn)態(tài)電壓間壓差超過550 V。

2.2 短路恢復(fù)過電壓對(duì)保護(hù)影響分析

針對(duì)如圖1所示典型船舶直流電網(wǎng)，構(gòu)建其典型電路分析模型如下圖3所示。

圖3 直流電網(wǎng)電路分析模型

圖3中，E為蓄電池組內(nèi)電勢(shì)，RL分別為蓄電池組電阻和電感；RL為從蓄電池組至逆變器供電支路的線路電阻和電感；RL為從蓄電池組至斬波器供電支路的線路電阻和電感；RL為從1號(hào)直流主配電板至逆變器直流側(cè)支撐電容之間的等效電阻和電感；RL為從1號(hào)直流主配電板至斬波器直流側(cè)支撐電容之間的等效電阻和電感；UU分別為逆變器直流側(cè)支撐電容電壓和斬波器直流側(cè)支撐電容電壓。

以逆變器支路為例進(jìn)行分析，短路前，逆變器直流側(cè)支撐電容電壓為：

當(dāng)斬波器支路短路觸發(fā)母聯(lián)限流斷路器Q3瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，電網(wǎng)最高電壓為限流斷路器短路動(dòng)作期間觸頭暫態(tài)恢復(fù)電壓arc，該電壓將施加于非故障的逆變器支路，且顯著高于作為供電電源的蓄電池電壓，類似圖2中所示。

考慮到為避免直流電網(wǎng)短路時(shí)各類變換器直流支撐電容對(duì)短路點(diǎn)放電，逆變器輸入回路一般均設(shè)計(jì)有反向截止晶閘管，保證短路期間逆變器直流支撐電容不會(huì)反向?qū)ν夥烹?，如下圖4所示。

圖4 逆變器輸入電路拓?fù)?/p>

假設(shè)逆變器支撐電容在短路期間電壓不變，則短路后逆變器供電電壓與其直流側(cè)支撐電容間的最大電壓壓差為：

上述電壓差導(dǎo)致逆變器供電支路將流過的電流為i，則有如下關(guān)系：

從式（3）和（4）中可知，由于短路電流切除時(shí)斷路器觸頭暫態(tài)恢復(fù)電壓高于逆變器直流支撐電容，其將導(dǎo)致直流側(cè)支撐電容流過充電電流，且最高暫態(tài)恢復(fù)電壓越大，流過的電流也越大。

逆變器支路在短路故障切除恢復(fù)過程中流過的充電電流在限流熔斷器中產(chǎn)生的電流熱效應(yīng)為：

由于暫態(tài)恢復(fù)電壓arc和支撐電容電壓均為變化量，式（3）和（4）聯(lián)立方程為變系數(shù)多階微分方程，難以直接理論求解。

為簡(jiǎn)化分析，考慮最惡劣情形，即忽略支路電阻，并假設(shè)電網(wǎng)暫態(tài)恢復(fù)電壓arc一直為最大值arc-max，則可得如下關(guān)于i的簡(jiǎn)化表達(dá)式：

則式（6）轉(zhuǎn)化為二階常系數(shù)微分方程，解析求解則可得上述式（5）中的最大值解析表達(dá)式為：

由此，比較式（7）計(jì)算得到的值與支路配置的限流熔斷器弧前2t值，若值大于弧前2t值，則短路恢復(fù)時(shí)流過逆變器的充電電流將有可能導(dǎo)致限流熔斷器熔斷，從而造成如圖1中非故障的逆變器支路保護(hù)動(dòng)作，引起逆變器支路失電，造成電網(wǎng)選擇性保護(hù)失效；若值小于弧前2t值，則短路恢復(fù)時(shí)流過逆變器的充電電流將不會(huì)導(dǎo)致如圖1中非故障的逆變器支路限流熔斷器熔斷而使逆變器失電，符合電網(wǎng)選擇性保護(hù)要求。

3 直流電網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)改進(jìn)分析

3.1 改進(jìn)方案

針對(duì)船舶直流電網(wǎng)暫態(tài)恢復(fù)過電壓可能造成非故障支路流過電流而引發(fā)限流熔斷器誤保護(hù)動(dòng)作問題，結(jié)合前述分析，可考慮采用母聯(lián)斷路器設(shè)置短延時(shí)保護(hù)與限流熔斷器配合或提高限流熔斷器通流能力，優(yōu)化限流熔斷器選型設(shè)計(jì)的解決措施。

由于限流熔斷器動(dòng)作很快，通過母聯(lián)斷路器設(shè)置短延保護(hù)可實(shí)現(xiàn)與限流熔斷器保護(hù)動(dòng)作選擇性，但由于母聯(lián)斷路器設(shè)置了短延時(shí)保護(hù)后，不可避免的會(huì)導(dǎo)致單一短路故障影響全船直流電網(wǎng)，無法實(shí)現(xiàn)短路故障發(fā)生后不同母線快速解列獨(dú)立，保障非故障母線回路供電連續(xù)性，該方案在直流電網(wǎng)供電連續(xù)性極高的場(chǎng)合可能難以適用。

另一解決措施則是適當(dāng)提高負(fù)載配置的限流熔斷器的額定電流和弧前2t值，在保證負(fù)載短路故障在滿足要求的動(dòng)作時(shí)間內(nèi)被切除即可，無需限流熔斷器過快保護(hù)動(dòng)作?？紤]到非故障支路限流熔斷器誤動(dòng)作保護(hù)往往只可能出現(xiàn)在功率較小的負(fù)載支路中，適當(dāng)提高限流熔斷器通流能力不會(huì)破壞直流電網(wǎng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)，因此該方案更為合理可行。而提高限流熔斷器通流能力，適當(dāng)延長(zhǎng)熔斷動(dòng)作時(shí)間，從孔徑、狹頸及銅排間隙等方面改進(jìn)均可實(shí)現(xiàn)[7]。

3.2 匹配性分析

為合理設(shè)計(jì)限流熔斷器，需綜合考慮短路時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與暫態(tài)恢復(fù)過電壓所產(chǎn)生的電流熱效應(yīng)。為便于指導(dǎo)工程應(yīng)用，根據(jù)前述分析，設(shè)計(jì)選擇限流熔斷器時(shí)只需保證其弧前2t值大于系統(tǒng)暫態(tài)恢復(fù)過電壓可能對(duì)非故障支路造成的充電電流熱效應(yīng)值，即可保證短路保護(hù)的選擇性。

考慮到直流電網(wǎng)中存在多個(gè)逆變器、斬波器等負(fù)載支路，不同負(fù)載支路一般均設(shè)置直流支撐電容，斷路器動(dòng)作時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生的暫態(tài)恢復(fù)過電壓而引起的充電電流將在不同的負(fù)載支路中被分流，從而單一支路中流程的充電電流將減小，如下圖所示。

圖5 多負(fù)載支路下暫態(tài)恢復(fù)過電流被分流示意圖

因此，依據(jù)前述分析中式（7）得到的最惡劣情形下非故障支路電流熱效應(yīng)值，以包絡(luò)方式設(shè)計(jì)選型限流熔斷器可滿足不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)要求，且工程應(yīng)有簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)難度小。

4 結(jié)語

船舶直流電網(wǎng)選擇性保護(hù)的快速性和高可靠性要求以及保護(hù)器械重量、體積等制約因素使采用限流熔斷器成為船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)的選擇方案，然而保護(hù)器械的快速動(dòng)作使系統(tǒng)中不可避免的出現(xiàn)暫態(tài)恢復(fù)過電壓，進(jìn)而導(dǎo)致非故障支路流過充電電流而引發(fā)支路限流熔斷器動(dòng)作，造成直流電網(wǎng)非故障支路失電，使系統(tǒng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)失效。針對(duì)這一問題，本文基于典型船舶直流電網(wǎng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)方面，針對(duì)船舶直流電網(wǎng)短路恢復(fù)過電壓現(xiàn)象，從理論上分析得到了最惡劣情形下非故障支路暫態(tài)電流熱效應(yīng)值，指出了其導(dǎo)致非故障支路限流熔斷器誤動(dòng)作的原因及其對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響，并據(jù)此針對(duì)性的提出了改進(jìn)方案，開展了匹配性分析，通過相關(guān)改進(jìn)可指導(dǎo)船舶直流電網(wǎng)選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化完善，進(jìn)一步提高船舶直流電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。

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Study on the impact of short circuit recovery overvoltage on system protection of marine DC grid

Yan Lun1, 2, Wu Dali1, 2, Li Wenhua1, 2

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2. Hubei Key Laboratory of Marine Electromagnetic Detection and Control, Wuhan 430205, China)

U665

A

1003-4862（2023）10-0037-04

2023-02-09

鄢倫(1992-)，男，工程師。主要從事船舶電力系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)研究工作。E-mail: yanl719@163.com