中压船舶电网单相接地故障分析与仿真

张 凡，庄 伟

中压船舶电网单相接地故障分析与仿真

张 凡1，庄 伟2

（1. 武昌船舶重工集团有限公司，武汉430000；2. 中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海201108）

单相接地故障是中压船舶电力系统中的频发故障，容易发展成严重的短路故障而威胁系统运行安全。为充分了解该类故障，结合实际中压船电系统给出了零序等效网络，分析了系统中出现单相接地故障时零序电流的分布情况，并以表达式和矢量图的形式阐明了故障线路与非故障线路上零序电流的幅值与相位特征。在MATLAB中建立动态仿真模型验证了分析和结论，为单相接地故障的继电保护提供了参考。

中压船舶电网 单相接地故障 零序电流 继电保护

0 引言

随着船舶电力系统规模和容量的日趋增大，中压配电系统的应用越来越广泛。在中压船用电力系统中，电缆数量多，总长度长，等效对地电容显著大于低压船舶电力系统，单相接地故障的危害已经不能忽视。单相接地故障作为一种频发故障，可占故障总量的60%以上。该故障虽然不影响系统的三相对称运行，但是会造成非接地相对地电压升高，长期带故障运行将影响电缆的绝缘水平，造成电缆的加速老化；还可能引起接地点（间断性）电弧，导致故障严重化，进而发展为两相、三相（短路）接地故障。严重威胁系统的供电安全与可靠性，给设备的安全和作业的效率带来重大的影响[1]。一般情况下，通过设置合适的方向性零序过电流保护实现对此类故障的有效保护。因此，有必要研究中压船用电力系统中的单相接地故障，对产生的零序电压，电流的相位与幅值做量化分析，对零序保护的设定给出参考。

在接下来的章节中，本文将详细介绍中压船舶电网的零序等效模型，在此基础上深入分析单相接地故障的机理，量化分析故障电流与电压本质，给出故障线路和非故障线路零序电流幅值与方向的一般规律表达式，并通过建立基于实际中压船舶电网的仿真模型验证论述的正确性。

1 中压船舶电力系统的零序等效模型

根据《钢质海船入级规范（2012）》相关内容，中压部分的拓扑多为母排分段结构（两段或多段，各段母排通过母联断路器联接），每段母排上至少由一台发电机供电，负载设备分开连接至不同的母排分段上[2]。发电机主要以中性点经高阻接地方式运行[3,4]。负载一般为日用变压器和推进变频器，后者往往通过移相变压器与母排联接。图1所示即为实际船舶电网中压部分单线图。G1到G4为中压发电机，1到4为对应的中性点接地电阻。母排分为两段Bus1和Bus2，各带4个负载，包括日用电部分和三个变频驱动的电动机，分别通过日用变压器和移相变压器联接到母排，实现对船上辅助系统、日用电负载和主推进、作业负载的供电。

当系统中发生单相接地故障时，如图2所示，故障点加入故障电动势[5]，该电动势的幅值与故障前一瞬间该点对地电压一致，方向相反，经过渡电阻f进入系统，在故障点Fault和地之间形成系统零序电压[6]。即系统中性点对地电压，在过渡电阻f为0时有，随着f增大幅值逐渐减小。一般情况下f数值较小，可以认为。由于移相变压器和日用变压器的一次侧往往采用三角形接法，没有中性点，即无零序通路。低压系统发生的单相接地故障不会反映到一次侧所在的中压部分[7]。此外，考虑到发电机进线电缆、各负载馈线电缆以及母线的零序阻抗远小于中性点接地电阻，忽略掉并不会影响到单相接地故障分析的结果。综上，中压船舶电网的零序等效网络如图2所示，1至4为发电机G1至G4及其进线断路器联接电缆的对地等效电容。5至12为两段母线上各个负载馈线电缆的对地等效电容。在的作用下，系统通过线缆和设备的对地电容以及发电机中性点电阻对地以零序电流的形式放电。

图1 船舶电网中压部分单线图

2 中压船舶电网的单相接地故障分析

中压船舶电网的综合保护装置根据来自零序传感器的电压、电流信号可实现单相接地故障的具体位置，实现选择性保护。零序传感器一般装设在馈线线路的首端，即图3中和的位置。下文中提到的馈线和发电机进线流过的零序电流指的是线路首端测得零序电压和电流，并规定从母线流向线路方向为正方向。另外，考虑到船用电缆易因绝缘老化或遭外力损伤导致出现单相接地，而母线在配电板中受到良好的保护而几乎无这类问题，下文仅对发生在发电机进线电缆和馈电电缆上的单相接地故障做分析。考虑到具体分析针对图2展开，图3和图4中仅绘出与分析有关的线路，省略部分可参考图2所示。

2.1 馈线上的单相接地故障分析

假设8#馈线发生了单相接地故障，系统中零序电流的分布和流向如图3所示。对于非故障馈线来说，以7#线路为例，线路流过自身对地电容电流，方向为正。表达式如式（1）所示。

图3 馈线故障零序电流分布

其他非故障馈线流过的零序电流有着相同的流向和表达式。

对于非故障发电机进线来说，以2#线路为例，流过的零序电流除了自身对地电容电流，还包含中性点电阻电流，方向同为由正。表达式如式（2）所示。

其他非故障发电机进线流过的零序电流有着相同的流向和表达式。

2.2发电机进线上的单相接地故障分析

当单相接地故障发生在发电机进线上时，假设故障发生在2#进线，系统中零序电流的流向与分布如图4所示。对于非故障馈线来说，以7#线路为例，线路首端流过自身对地电容电流，方向为正，表达式与式（1）相同。其他非故障馈线首端流过的零序电流方向、表达式均与7#线路相同。

对于非故障发电机进线来说，以3#线路为例，线路首端流过的零序电流与上一节中2#线路相同，均由自身对地电容电流和中性点接地电阻电流，由正。表达式也与式（2）相同。

对于故障Fault2所在的2#线路来说，自身的对地电容电流和中性点接地电阻电流分别通过C2和R2流入大地。与上节中的分析相同，其线路首端流过的整个系统非故障线路零序电流的总和，方向为负，可用式（4）表述。

2.3中压船舶电网单相接地故障零序电流向量图

根据2.1节和2.2节的分析可以给出系统中出现单相接地时，故障线路与非故障线路首端流过的零序电流向量图，如图5所示。其中为零序电压，为便于表述，令为全部非故障发电机进线首端流过的零序电流的矢量和，和分别为其有功和无功分量；为全部非故障馈线首端流过的零序电流的矢量和，为故障线路首端流过的零序电流，和分别为其有功和无功分量。

图4 发电机进线故障零序电流分布

图5 单相接地故障零序向量图

根据图5结合式（1）~（4）有如下结论：当船舶中压电网出现单相接地故障时：

1）非故障馈线首端流过的零序电流为自身的对地电容电流，其相位超前零序电压90°；非故障发电机进线流过的零序电流为自身对地电容电流与中性点接地电阻电流的矢量和，其相位超前零序电压，而滞后于非故障馈线的零序电流。

2）故障线路流过的零序电流在幅值上等于非故障线路零序电流的矢量和的幅值（即其有功分量为全系统非故障线路中性点接地电阻电流之和，无功分量为全系统非故障线路对地电容电流之和），方向上则与该矢量和相反。

3 单相接地故障的仿真与分析

为了验证第2节中的分析与结论，本节在Matlab环境中建立了中压船舶电网动态模型，对单相接地故障进行仿真分析。单线图如下图所示：系统包含两台2 MW 6600 V中压发电机和四个900 kVA的6600 V负载，系统的频率为50 Hz。其中1#和2#为发电机进线电缆，中性点接地电阻

图6 中压船舶电网仿真系统单线图

1、2均为700 Ω，进线电缆的对地等效电容1、2分别为0.12 μF和0.1 μF每相；3#、4#、5#和6#电缆为4条馈电电缆，对地等效电容分别为0.25 μF、0.30 μF、0.20 μF和0.15 μF每相。单相接地故障设定为A相直接接地，故障位置分别为3#馈线和1#发电机进线。

3.1 3#馈线的单相接地故障仿真与分析

当3#馈线发生单相接地故障时，各个馈线的零序电流波形如图7所示。可以看出，作为故障线路的3#馈线的零序电流幅值最大；1#和2#进线上的零序电流幅值较小，因为对地等效电容非常接近以及中性点电阻相同，所以波形是非常接近的；4#、5#和6#馈线的零序电流幅值较小，因为对地等效电容比较接近，其波形也是基本一致的。零序电压和电流的幅值与相位如表1所示。其中零序电压的单位为kV，零序电流的单位为A。零序电压为3倍的相电压。为了便于验证第2节中结论，表1中第三列修正相位为第二列相位减去89.4°后的结果。当零序电压为90°时，两条发电机进线电缆的零序电流稍微超前零序电压，非故障馈线的零序电流超前零序电压几乎90°；只有故障馈线的零序电流滞后零序电压，滞后164°。

3.2 2#发电机进线的单相接地故障仿真与分析

当2#馈线发生单相接地故障时，各个馈线的零序电流波形如图8所示。同样的，2#进线作为故障线路，零序电流的幅值是最大的。1#进线的零序电流幅值与2#接近，但相位有较大差别；3#、4#、5#和6#馈线的零序电流幅值较小，其波形也是基本一致。零序电压和电流的幅值与相位如表2所示。同样，第三列为修正后的相位。当零序电压为90°时，1#发电机进线电缆的零序电流稍微超前零序电压，非故障馈线的零序电流超前零序电压90°；只有故障馈线的零序电流滞后零序电压，滞后136.2°。

图7 3#馈线单相接地零序电流波形

表1 3#馈线单相接地故障零序电压电流

上述仿真验证了第2节末尾的结论。在中压船舶电网中，单相接地故障所在线路上可以测量的零序电流幅值往往显著大于其他非故障线路，其相位也与非故障线路上测量到的零序电流有着显著的不同。依据这两点特征，综合保护装置可以准确的检测到故障线路并采取适当的措施，如报警或从系统切除该线路。

4 结论

结合实际的中压船舶电网拓扑，分析了电网中发生单相接地故障时零序电流的分布情况，并给出相应的表达式。最后以矢量图的形式总结了故障线路与非故障线路中零序电压的特征，并建立动态模型对结论做了仿真。数据验证了分析结果，为船舶电网单相接地保护的实施提供了参考。

图8 2#馈线单相接地零序电流波形

表2 2#馈线单相接地故障零序电压电流

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Analysis and Simulation of Single-phase Grounding Fault in Marine Medium Voltage Power Grid

Zhang Fan1, Zhuang Wei2

( 1. Wuchang Shipbuilding Industry Group Co., Ltd., Wuhan 430060, China; 2. No. 711 Institute of CSIC, Shanghai 201108, China)

U665

A

1003-4862（2017）08-0010-05

2017-02-17

国家发展和改革委员会2015年海洋工程装备专项支持，发改办高技[2015]1409号。

张凡（1981-），男，高级工程师。研究方向：船舶轮机。

联系人：庄伟，第七一一研究所自动化事业部。E-mail: zhuangwei@csic711.com