周仕萬 賀慧英 黃 靖 莫 斌

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033)

交流系統(tǒng)短路電流上升率特性分析及其應(yīng)用*

周仕萬 賀慧英 黃 靖 莫 斌

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033)

論文從船舶交流電力系統(tǒng)短路電流主要饋送來源著手,建立系統(tǒng)模型并對短路電流上升率進(jìn)行數(shù)學(xué)公式推導(dǎo),然后從船舶電力系統(tǒng)角度對決定短路電流上升率的因素進(jìn)行分析,并討論了不同短路角時短路電流的變化趨勢對電流上升率的影響。通過對比仿真,給出一定船舶電力系統(tǒng)下具體短路點(diǎn)故障診斷時參考電流上升率的選取方法和條件。參考電流上升率的選取方法為船舶電力系統(tǒng)電流上升率作為故障診斷整定設(shè)定提供參考。

電力系統(tǒng); 上升率; 短路角; 仿真

Class Number TM134

1 引言

隨著船舶電力系統(tǒng)負(fù)載功率增大,常采用多電站并聯(lián)運(yùn)行。在船舶電網(wǎng)發(fā)生短路故障時,短路時短路電流上升率高達(dá)20A/μs以上,幅值高達(dá)30kA以上。船舶電網(wǎng)供電區(qū)段變多,配電級數(shù)增加。一直沿用的時間電流保護(hù)原則將不能提供如此多的時間等級;級數(shù)增多后,發(fā)生短路故障時容易造成上下級開關(guān)一起跳閘。現(xiàn)有的時間保護(hù)原則是靠延長切除故障時間來保證保護(hù)選擇性,而故障時間的延長越長,對供電連續(xù)性越不利。

針對這一問題,國內(nèi)外許多學(xué)者提出利用短路電流上升率作為整定參數(shù),在短路電流峰值到來之前判斷出故障,縮短故障診斷時間,為選擇性保護(hù)提供更多的決策時間。文獻(xiàn)[1]提出基于電流上升率的故障診斷方法,指出該方法只要適當(dāng)選取參考電流上升率和參考電流,故障檢測時間就能達(dá)到1ms之內(nèi),縮短故障的診斷時間,但沒有給出在具體電力系統(tǒng)中參考電流和電流上升率的選取方法和條件。

本文從船舶交流電力系統(tǒng)短路電流主要饋送來源著手,建立系統(tǒng)模型并對電流上升率進(jìn)行數(shù)學(xué)公式推導(dǎo),然后從船舶電力系統(tǒng)角度對決定短路電流上升率的因素進(jìn)行分析,并討論了各影響因素對短路電流上升率的影響。通過對比仿真,給出具體船舶電力系統(tǒng)短路點(diǎn)故障診斷時參考電流上升率的選取方法和條件。參考電流上升率的選取方法為船舶電力系統(tǒng)電流上升率作為故障診斷整定設(shè)定提供參考。

2 船舶交流電力系統(tǒng)短路電流上升率計(jì)算方法

1) 船舶交流電力系統(tǒng)模型建立

船舶電力系統(tǒng)是一個孤立于海洋上的獨(dú)立體,從發(fā)電、配電到用電設(shè)備相對集中。由于工作環(huán)境特殊,船舶電力系統(tǒng)和陸上電力系統(tǒng)相比,有明顯的不同點(diǎn)[2]。

船舶電力系統(tǒng)以發(fā)電機(jī)作為主要電源,電力儲備是有限的,不是無窮大電網(wǎng),在短路電流計(jì)算時,要考慮發(fā)電機(jī)阻抗的影響;船舶電力系統(tǒng)主要負(fù)載是電動機(jī),在發(fā)生短路故障時,旋轉(zhuǎn)電動機(jī)是短路電流主要供給源之一;船舶電力系統(tǒng)要求配備足夠數(shù)量的發(fā)電機(jī)組,以保證部分機(jī)組發(fā)生故障時的供電需要;船舶電站的電壓等級比較低,相對短路電流較大,所以在計(jì)算短路電流時,必須考慮外電路阻抗的影響。

典型輻射型船舶電力交流系統(tǒng)如圖1所示,短路電流主要由各類電機(jī)饋送到短路點(diǎn)[2～4]。

圖1 船舶電力系統(tǒng)簡化圖

為確保船舶電力系統(tǒng)供電連續(xù)性,短路保護(hù)是最重要保護(hù)之一。因此,針對船舶電力系統(tǒng)短路電流和電流上升率計(jì)算具有重要意義。

2) 短路電流上升率估算

短路電流計(jì)算的結(jié)果用于校驗(yàn)所選開關(guān)的斷流容量、電動力穩(wěn)定性、為電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)整定提供數(shù)據(jù)、校驗(yàn)電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定性。計(jì)算中常需要計(jì)算的電流值有最大短路電流、最小短路電流、短路功率因素和穩(wěn)態(tài)短路電流。

將電流上升率作為整定參量時,為了得到較高的檢測靈敏度,短路電流應(yīng)按最小運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算[6～8]。計(jì)算條件：考慮容量最小的單臺發(fā)電機(jī)提供的短路電流;不考慮電動機(jī)提供的短路電流。因此,本文在對系統(tǒng)短路點(diǎn)電流上升率計(jì)算時主要考慮發(fā)電機(jī)饋送的電流。

三相同步發(fā)電機(jī)空載突然短路A相短路電流計(jì)算公式[5]:

(1)

由于γ0與短路角有關(guān),公式轉(zhuǎn)換為

(2)

由短路電流計(jì)算式(2)可以推導(dǎo)出短路電流上升率計(jì)算公式:

(3)

由短路電流上升率計(jì)算公式可以看出：短路電流上升率與發(fā)電機(jī)參數(shù)、短路角、線路阻抗有關(guān)。

3 短路電流上升率分析及整定方法

1) 影響短路電流上升率因素分析

短路電流上升率取決于流過短路點(diǎn)的電流。利用短路電流上升率作為整定參量,其整定值設(shè)定必須從系統(tǒng)出發(fā),綜合考慮船舶電力系統(tǒng)中決定保護(hù)安裝點(diǎn)電流及電流上升率的因素。

下面以圖1所示的船舶電力系統(tǒng)為例,具體討論影響短路點(diǎn)短路電流及電流上升率的主要因素。設(shè)G1、G2和G3為同型號發(fā)電機(jī),其參數(shù)如下[9-10]:

xd=3.18(p.u),T″d=22.71ms,

ra=0.03(p.u),f=50Hz,

E=380V,S=1600kW

(1)短路角

假設(shè)A1點(diǎn)短路前系統(tǒng)工作在額定工況下電流為400A。A1點(diǎn)短路,發(fā)電機(jī)G1單機(jī)運(yùn)行工況下,短路角為0≤θ≤2π,A1點(diǎn)短路前后其A相電流及電流上升率變化如圖4所示。

圖2 A1短路電流隨短路角θ的變化

由圖2(a)和2(e)可以看出短路電流初始上升率是額定電流上升率的十幾倍。由圖2(a)、2(b)和2(c)可以看出短路角θ不同時,短路后短路電流變化趨勢不同,1/4周期內(nèi)短路電流峰值不同,電流上升率也不同。圖2(d)反映出A1點(diǎn)短路第一個短路在短路故障發(fā)生初始時刻,ABC三相短路電流上升率隨短路角θ的變化趨勢。因此,在整定時應(yīng)考慮短路角對上升率的影響。

(2)系統(tǒng)運(yùn)行工況

短路角θ取0,當(dāng)A1點(diǎn)短路時,改變發(fā)電機(jī)運(yùn)行臺數(shù),短路后1/4周期內(nèi),流過A1點(diǎn)的短路電流和率短路電流上升峰值如表1所示。

表1 不同發(fā)電機(jī)臺數(shù)下短路電流和電流上升率峰值

由此可知,同一短路角不同系統(tǒng)運(yùn)行工況下,流過同一短路點(diǎn)的短路電流不同,短路電流上升率也不相同。因此,為滿足短路故障診斷靈敏度要求,短路電流及短路電流上升率計(jì)算應(yīng)按最小運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算,即只考慮容量最小的單臺發(fā)電機(jī)提供的短路電流;為避免干擾,短路電流及短路電流上升率計(jì)算應(yīng)按最大運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算出任意短路角下最大電流上升率,超出此最大電流上升率為干擾。

(3)短路點(diǎn)位置

發(fā)電機(jī)G1單機(jī)運(yùn)行工況下,短路角θ取0,當(dāng)不同短路點(diǎn)短路時,流過短路點(diǎn)的短路電流峰值和短路電流上升率峰值表2所示。

表2 不同發(fā)電機(jī)臺數(shù)下短路電流和電流上升率峰值

由此可知,短路點(diǎn)不同短路電流不同,短路電流上升率也不同。一般來說,對于如圖1所示的輻射型配電網(wǎng)絡(luò),應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)參數(shù),對每一斷路器安裝點(diǎn)流過的短路電流進(jìn)行計(jì)算,然后進(jìn)行計(jì)算整定。

2) 斷路器短路電流上升率整定方法及步驟

為了對船舶電力系統(tǒng)配電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù),斷路器整定值設(shè)定是決定斷路器能否準(zhǔn)確檢測出短路故障的關(guān)鍵[11]。在利用短路電流上升率進(jìn)行整定時應(yīng)綜合考慮上述影響因素。

以圖1中對斷路器2進(jìn)行短路電流上升率整定為例,整定值方法及具體步驟如下：

第一步：確定短路點(diǎn),畫出短路電流計(jì)算電路。假設(shè)斷路器2保護(hù)本線段末端A1點(diǎn)短路時,最小、最大運(yùn)行工況下,短路電流計(jì)算電路如圖3所示。

圖3 A1點(diǎn)短電流路計(jì)算短路

第二步：由短路電流計(jì)算電路,計(jì)算出最小運(yùn)行工況下,ABC三相初始上升率中最大短路上升率相的最小值。計(jì)算公式為

MIN-MAX=min(max(DIA/dt,DIB/dt,DIC/dt))|t=o

(4)

最大運(yùn)行工況下,ABC三相初始上升率中最大短路上升率相的最大值。計(jì)算公式為

MIN-MAX=max(max(DIA/dt,DIB/dt,DIC/dt))|t=o

(5)

由圖2所示短路電流計(jì)算電路可知流過斷路器2和A1點(diǎn)的電流相同。利用上述電流上升率估算方法計(jì)算,可以算出A1點(diǎn)短路前后ABC相初始短路電流上升率隨短路角θ的變化如圖4所示。

在圖4中,確定運(yùn)行工況下,MAX為短路初始時刻任意短路角下ABC三相中最大的短路電流上升率。由最小運(yùn)行工況下的MAX可以求出MIN-MAX,由最大運(yùn)行工況下的MAX可以求出MAX-MAX。

第三步：綜合考慮ABC三相設(shè)定短路電流上升率整定值。為確保短路電流上升率診斷靈敏性和可靠性,考慮到正常工作下,噪聲的干擾等因素,結(jié)合ABC三相短路初始電流上升率,選取MIN-MAX作為短路故障整定值,大于MAX-MAX即可認(rèn)為是干擾。這樣可以在短路初始時刻就能很好地診斷出短路故障,大大縮短了短路故障診斷時間。

圖4 A1點(diǎn)短路初始電流上升率變化趨勢

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果,利用PSCAD電力系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)故障建模及故障仿真[12],對圖1中A1短路進(jìn)行仿真。A1點(diǎn)短路電路和短路電流及電流上升率的變化如圖5所示,并利用上述方法進(jìn)行整定。

由圖5可以看出利用上述整定方法能夠在短路電流峰值到來之前有效切除故障,縮短了故障診斷時間。

4 結(jié)語

短路電流上升率是流過短路點(diǎn)的電流變化率,取決于流過短路點(diǎn)的電流。利用短路電流上升率作為整定參量,其整定必須從系統(tǒng)出發(fā),綜合考慮了短路角、系統(tǒng)運(yùn)行工況和短路點(diǎn)位置對船舶電力系統(tǒng)中決定保護(hù)安裝點(diǎn)電流及電流上升率的影響。

給出了在固定系統(tǒng)下,短路電流上升率的求取方法,定義了作為短路故障整定值范圍的MIN-MAX和MAX-MAX這兩個參考量,并給出了求取方法。根據(jù)實(shí)例和仿真給出了利用電流上升率整定值時必須滿足的條件。該整定方法有效縮短了短路故障診斷時間,可為后續(xù)選擇性保護(hù)提供更多決策時間,為電流上升率作為整定參量在繼電保護(hù)中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

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Analysis and Application of AC Short Circuit Current Rising Rate Feature and Short-circuit Fault Diagnostic

ZHOU Shiwan HE Huiying HUANG Jing MO Bin

(School of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

This article discusses the main feed of the short-circuit current sources of ship power system firstyl, A system model of ship power system is created for deriving short-circuit current rate of rise of mathematical formulas, and then the determinants of short-circuit current rising rate are analyzed for the perspective of ship power system and the difference of short-circuit when the short-circuit current trends angle of impact on the current rate of rise is discussed. By comparing the simulation, the selection methods and conditions are iven for short circuit fault diagnosis on certain specific ship power system by the reference current rate of rise. The method of reference current rate of rise selection is tuning set as a reference for the current rate of rise of the ship power system fault diagnosis.

short-circuit current, rising rate, shorted angle, simulation

2014年5月11日,

2014年6月23日 作者簡介:周仕萬,男,碩士研究生,研究方向:電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。賀慧英,女,博士,副教授,研究方向:電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。黃靖,男,博士,講師,研究方向:電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。莫斌,男,研究方向:電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

TM134

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.047