船舶环形配电网电流保护研究

窦晓峰，刘文达

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

船舶环形配电网电流保护研究

窦晓峰，刘文达

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

分析了船舶电力推进配电发展现状，介绍了舰船电力推进环形配电网的方向性过流保护相关内容，为后续的研究提供了参考。

船舶电力推进系统 环形配电网 方向性过流保护

0 引言

随着船舶电力推进系统的不断发展，对于船舶电站的要求也越来越高，因此出现了一种船舶配电网络—环形配电网，它能够满足船舶电力推进所需要的稳定性和可靠性。环形配电网具有可靠性高、生命力强的优点，因此对环形配电网的探讨研究具有十分重要的意义。

传统的树形配电网，它的供电可靠性比较低，当母线处出现短路故障时，使得故障点后的负载全部失电。而环形配电网就能很好的解决这个问题，在环形配电网中每一个用电设备都能从两个线路得到电能，因此当其中一个线路发生故障，不会导致设备失电，从而提高了配电网供电可靠性。

文献[1]讨论船舶电力推进系统的发展现状，文献[2][3]讨论环形配电网的供电可靠性，文献[4]讨论供电系统的过流保护。本文讨论船舶环形配电网的方向性过流保护，将方向性过流保护引入环形配电网，能够满足环形配电网电流保护的要求，并通过仿真验证方法的正确性。

1 环形配电网方向性过流保护

1.1 传统电流保护

传统电流保护是由电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过流保护三个部分组成，即为三段式保护。电流速断保护只能保护一部分线路，限时电流速断保护可以保护线路全长，但不能为相邻线路提供后备保护，而定时限过流保护可以为本条线路和相邻线路提供后备保护。

近年来，随着各国海军对舰船电力系统稳定性、可靠性的要求越来越高，使得舰船综合电力推进技术得到快速发展。综合电力推进技术将环形配电网应用到船舶中，可以对全船的能源进行统一管理、综合利用、有效分配。在环形配电网中，传统的三段式保护将不能满足选择性的保护要求。如图1、图2所示。

图1 K1点短路故障

图2 K2点短路故障

对过电流保护而言，若K1点发生短路，且t2＜t3，则会导致保护2发生误动作；若K2点发生短路，且t3＜t2，则会导致保护3发生误动作。

要保证保护2与保护3同时不发生误动作，即要求t2＜t3且t3＜t2，这是无法做到的。所以，需要在传统三段式保护基础上做出改进才能满足环形配电网的保护性要求。假定短路功率从母线流向线路为正方向，那么可以得到当发生误动作时，其短路功率为反方向，因此将方向性过流保护引入环形配电网。方向性过电流保护是在原有过电流保护基础上加装功率方向元件，并且设定功率为正方向时保护元件动作，而功率为反方向时保护元件不动作。方向性过流保护需要同时满足3个条件才能动作，分别是：

1) 电流大于动作电流设定值；

2) 功率方向为正；

3) 电流持续时间超过动作时间限定值。

1.2 方向性过电流保护理论

方向性过电流保护是由传统过电流保护和功率方向元件组成，其核心是功率方向元件。

图3为功率方向继电器的接线图，其中方框表示功率方向元件，设定相量Ur超前相量Ir60°。则有：

当在正方向（K1点）发生短路故障时：φrA=φk=60°；

当在反方向（K2点）发生短路故障时：φrA=180+φk=240°。

即当UrIrcos(φr-φk)＞0时，则故障发生在正方向，功率方向元件动作；当UrIrcos(φr-φk)＜0时，则故障发生在反方向，功率方向元件不动作。

若功率方向元件输入的电压和电流不发生变化，则输出动作量会随电压与电流之间的相角φr发生变化，即：Pr=UrIrcosφr。

在正方向短路的情况下，将功率方向元件接成最大灵敏角φsen，此时输出动作量最大，元件的动作也最迅速。即在正方向（K1点）发生短路故障时，动作输出量UrIrcosφr最大，UrIrcos(φr-φk)=UrIrcos0°=UrIr。

此时φr=φk=φsen，其中φk代表线路的阻抗角，一般情况下，线路的阻抗角即为该线路的最大灵敏角。因此，可以得到φr的范围为：

图3 功率方向继电器接线图

1.3 方向性过流保护方法

方向性过流保护主要是由功率方向判别元件来实现，它分为信号形成、信号移相、滤波、信号转化、方向判别、输出六个部分，其构成框图如图4所示。

功率方向元件最关键的部分是方向判别，它的作用是判断电流信号与电压信号方向是否相同。当功率方向元件的输出为1，说明电流信号和电压信号方向相同，则功率方向元件动作；当输出为0，说明电流信号和电压信号方向相反，则功率方向元件不动作。由于电路中电流会发生波动，会出现短时过流情况，因此要求方向功率元件具有延时功能，不能因为电流短时过高而动作，同时延时不能超过一个周期，否则导致误判。

图4 功率方向元件构成框图

表1 故障时移相角α的取值范围

2 仿真验证

首先，确定移相角α的取值范围。

3 结语

本文利用方向性过流保护的方法对船舶环形配电网供电保护进行研究，最后通过仿真验证了该方法具有良好的过电流保护性能，能保证整个电力系统安全运行，对船舶电力推进系统安全运行具有理论意义和实际参考价值。

[1] 马伟明. 舰船动力发展的方向-综合电力系统[J]. 海军工程大学学报, 2002, 14(6)∶ 1-6.

[2] 尚成枝, 王德明, 朱志宇. 舰船环形区域配电结构及可靠性分析[J]. 船电技术, 2009, 29(1)∶ 38-39.

[3] 霍综斌, 刘维亭, 梁世清. 舰船环形区域配电网络结构可靠性分析[J]. 舰船科学技术, 2008, 30(5)∶29-31.

[4] 侯计兵. 电力系统反时限过流保护优化整定计算研究[D]. 武汉∶ 华中科技大学, 2011.

Current Protection for Shipboard Loop Power Distribution System

Dou Xiao Feng，Liu Wen Da

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

The development of ship's electric propulsion power distribution is analyzed, the directional over-current protection of shipboard loop power distribution system is introduced, which provides reference for study.

marine electric propulsion system; loop power distribution system; directional over-current protection

TM773

A

1003-4862（2015）08-0048-03

2015-04-21

窦晓峰（1990-），男，助理工程师。研究方向：电力系统及其自动化。