船舶交流中壓電力系統(tǒng)絕緣故障特性分析與仿真

涂方明

?

船舶交流中壓電力系統(tǒng)絕緣故障特性分析與仿真

涂方明

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢430060）

本文依據(jù)現(xiàn)有常見(jiàn)的中壓船舶電力系統(tǒng)，建立了船舶交流中壓電力網(wǎng)絡(luò)絕緣故障模型，對(duì)其中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地方式下絕緣特性進(jìn)行了全面的理論分析，主要分析了該接地方式下故障相、非故障相的電流、電壓，以及零序電壓等特征量與絕緣故障電阻、中性點(diǎn)接地電阻的關(guān)系。利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真。為今后該系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)方法的提出打下了理論基礎(chǔ)，同時(shí)利用表征的零序電壓來(lái)計(jì)算絕緣電阻的結(jié)論具有工程實(shí)用價(jià)值。

船舶交流中壓電力系統(tǒng) 高阻接地 零序電壓 絕緣電阻

0 引言

由于船舶電力系統(tǒng)功率、容量和電壓等級(jí)的提升，以及中性點(diǎn)接地方式的改變，對(duì)船舶交流中壓設(shè)備和電纜的絕緣性能提出了更高的要求[1]。目前船舶中壓電力系統(tǒng)的絕緣故障監(jiān)測(cè)與保護(hù)方法還尚待完善，需要參考陸地電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)施。但船舶電力系統(tǒng)由于其特定的使用環(huán)境相對(duì)于陸地電力系統(tǒng)又具有明顯的特殊性，目前針對(duì)船舶交流中壓電力系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的絕緣故障特性的研究仍處于初步探索階段，并沒(méi)有較系統(tǒng)和全面的研究[2,3]。所以針對(duì)船舶交流中壓電力系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的絕緣故障特性的研究是十分必要的，也是選擇船舶交流中壓電力系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)與保護(hù)方案的基礎(chǔ)。

對(duì)于目前的中壓電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，為了限制間歇性電弧接地過(guò)電壓，同時(shí)考慮到與系統(tǒng)對(duì)地電容為并聯(lián)關(guān)系，一般選擇中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地的方式[4-6]。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，電網(wǎng)的單相故障占短路故障的70%以上。因此本文主要分析中性點(diǎn)高阻接地的船舶中壓電力系統(tǒng)在單相絕緣故障時(shí)各特征量的變化規(guī)律。通過(guò)建立仿真模型對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)仿真結(jié)果提出了最適合表征船舶交流中壓電力網(wǎng)絡(luò)絕緣狀態(tài)的特征量。

1 船舶交流中壓電力系統(tǒng)模型

由于船舶中壓電網(wǎng)的三相電纜間及電纜與船殼之間存在較大的分布電容，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，分布電容間會(huì)出現(xiàn)充電電流。但由于充電電流很小，其在線路上產(chǎn)生的壓降也可以忽略。因此在分析船舶交流電網(wǎng)充電電流時(shí)可用集中參數(shù)電路表示[7,8]。

下圖1為船舶交流中壓電力系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)等效模型，中性點(diǎn)接地方式為經(jīng)高阻接地。

假設(shè)系統(tǒng)共有n條負(fù)載支路，中性點(diǎn)接地電阻為R，令

則可將圖1中的對(duì)地參數(shù)等效模型簡(jiǎn)化如圖2所示。

由系統(tǒng)的對(duì)地總漏電流守恒可知：

故有

解得中性點(diǎn)對(duì)地電壓

因?yàn)榈趉條支路的漏電流等于該支路A、B、C三相的漏電流之和，則第k條支路的漏電流的表達(dá)式為

即

2 船舶交流中壓電力系統(tǒng)零序電壓分析

下面以圖3高阻接地系統(tǒng)絕緣故障等效模型為例對(duì)零序電壓進(jìn)行分析。

在中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)中，中性點(diǎn)接地電阻兩端電壓即為零序電壓，零序回路中線路對(duì)地分布總電導(dǎo)兩端也為零序電壓。

當(dāng)發(fā)生絕緣劣化故障時(shí)，相當(dāng)于某相發(fā)生經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障，這時(shí)由于過(guò)渡電阻的存在，電網(wǎng)的故障特征就會(huì)減弱，故障暫態(tài)過(guò)程延長(zhǎng)，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的拒動(dòng)[9,10]。

1）當(dāng)系統(tǒng)存在一定程度的電容不平衡時(shí)

認(rèn)為絕緣良好時(shí)，圖中R= R= R= R=+∞，設(shè)A相電容不平衡，令C= C= kC，C= C= C，為電容不平衡度，此時(shí)零序電壓表達(dá)式為：

2）當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相絕緣故障時(shí)

令，C= C= C= C設(shè)B相發(fā)生經(jīng)過(guò)渡電阻R單相接地故障，則零序電壓表達(dá)式為：

由式（6）~（9）可見(jiàn)，

① 船舶電力系統(tǒng)相電容的不平衡和絕緣下降，即單相經(jīng)過(guò)渡電阻故障的表現(xiàn)形式十分相似，都會(huì)發(fā)生中性點(diǎn)電壓偏移，零序電壓幅值增大，三相電壓出現(xiàn)不對(duì)稱。

② 零序電壓受電網(wǎng)零序阻抗控制，零序阻抗包括電纜線路的對(duì)地分布阻抗、中性點(diǎn)接地電阻以及過(guò)渡電阻。

③ 當(dāng)過(guò)渡電阻值越小時(shí)，零序電壓變化幅度越大，故障特征越明顯。

④ 系統(tǒng)三相電容不平衡度越大，零序電壓越大。

⑤ 由（7）（9）可以看到，無(wú)論是絕緣故障還是不平衡導(dǎo)致的零序電壓偏移，偏移的相位與故障相的相位夾角都小于90°。

3 船舶交流中壓電力系統(tǒng)絕緣故障仿真

利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD對(duì)中性點(diǎn)高阻接地系統(tǒng)絕緣故障進(jìn)行仿真建模分析，以兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的情況為例，系統(tǒng)模型如圖4所示。設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：發(fā)電機(jī)額定電壓為6300 V，額定頻率為50 Hz，系統(tǒng)單相對(duì)地總電容為C=33 μF。

本仿真模型首先設(shè)置的單相故障類型分為兩種，一種是間歇電弧接地故障，另一種是金屬性接地故障。仿真時(shí)間為200 ms，為工頻10個(gè)周期時(shí)間。在系統(tǒng)運(yùn)行50 ms時(shí)啟動(dòng)間歇電弧接地故障模塊，模擬2~3個(gè)周期的間歇電弧接地故障，在系統(tǒng)運(yùn)行90 ms時(shí)啟動(dòng)金屬性電阻接地故障模塊。

然后對(duì)單相經(jīng)絕緣電阻故障情況進(jìn)行仿真，設(shè)置不同的過(guò)渡電阻值，考察高阻接地系統(tǒng)三相電壓、電流及零序電壓變化情況。此時(shí)仿真結(jié)果如下：

表1 不同過(guò)渡電阻情況下仿真數(shù)據(jù)

觀察表1可見(jiàn)，高阻接地系統(tǒng)在未發(fā)生絕緣故障時(shí)，零序電壓為零，中性點(diǎn)接地電流為零；當(dāng)發(fā)生絕緣故障時(shí)零序電壓、故障點(diǎn)電流、中性點(diǎn)電流都隨著過(guò)渡電阻值的增大而不斷減小，尤其是絕緣電阻值在1000 Ω以上時(shí)，故障特征量越發(fā)不明顯。高阻接地系統(tǒng)絕緣故障時(shí)的非故障相的過(guò)電壓倍數(shù)均可以控制在2倍以內(nèi)，當(dāng)發(fā)生間歇性電弧故障的時(shí)候在電弧接地瞬間會(huì)有較大的過(guò)電壓和故障電流，在電壓達(dá)到穩(wěn)定之后，過(guò)電壓為相電壓的1.732倍左右。而且兩臺(tái)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流之和均不超過(guò)10 A，仿真結(jié)果與理論分析一致[11]。

表2 零序電壓隨分布電容不平衡度的變化表

由表2可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)分布電容不平衡時(shí)，中性點(diǎn)電阻兩端將產(chǎn)生電壓，即零序電壓，不平衡度越大，零序電壓幅值也隨之迅速增大。仿真結(jié)果與理論分析一致。雖然船舶電力系統(tǒng)由于電纜較長(zhǎng)，分布電容較大，但是一般在三相系統(tǒng)中，由于發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備都具有良好的對(duì)稱性，如果不附加任何電容器等，系統(tǒng)的不平衡度不會(huì)很大[12]，一般偏差不會(huì)超過(guò)。

4 結(jié)論

通過(guò)分析船舶中壓電力系統(tǒng)普遍采用的中性點(diǎn)高阻接地方式，對(duì)該接地方式下的絕緣故障特性和規(guī)律進(jìn)行了理論計(jì)算，得出

1）船舶電力系統(tǒng)相電容的不平衡和絕緣下降，都會(huì)使三相電壓出現(xiàn)不對(duì)稱，產(chǎn)生零序電壓，且均呈現(xiàn)正相關(guān)性。

2）但從表中可以看出電容不平衡所引起的零序電壓變化較絕緣破損所引起的變化要小得多。但仍需考慮。

結(jié)合PSCAD暫態(tài)仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證了中性點(diǎn)接地電阻值、故障點(diǎn)過(guò)渡電阻與零序電壓以及非故障相和故障相的電壓、電流的之間的變化關(guān)系，為今后尋找零序電壓與絕緣電阻之間的關(guān)系提供了方法，為船舶交流中壓電網(wǎng)在線絕緣監(jiān)測(cè)方法的研究打下了基礎(chǔ)。

[1] 于亮, 王校峰, 張碩, 等. 船用中壓電力系統(tǒng)的發(fā)展[J]. 機(jī)電設(shè)備, 2008, 02: 1-3.

[2] 邰能靈, 王鵬, 倪明杰. 大型船舶電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[3] 許明華. 船舶中壓系統(tǒng)中性點(diǎn)接地探討[J]. 航海技術(shù), 2009, 04: 60-62.

[4] 陳亮, 李耕, 張曉鋒. 船用中壓發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻的整定計(jì)算[J]. 船電技術(shù), 2015, 04: 9-12.

[5] 戚宇林. 中壓配電網(wǎng)單相接地故障定位的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 保定: 華北電力大學(xué), 2008.

[6] Yong B, Wei C, Jiansheng L, et al. Single phase to earth fault location method in distribution network based on signal injection principle[C]. Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), 2011 4th International Conference on. IEEE, 2011: 204-208.

[7] 程英龍, 孫磊. 淺析船舶電機(jī)絕緣電阻[J]. 中國(guó)修船, 2011, 06: 31-33.

[8] 王燕. 船舶中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地與過(guò)電壓研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2011.

[9] 張彥魁, 畢大強(qiáng), 劉同和. 船舶中壓電網(wǎng)高阻接地方式機(jī)理研究[J]. 中國(guó)艦船研究, 2014, 02: 89-94+116.

[10] 祝彥兵. 船舶高壓交流電力系統(tǒng)綜合保護(hù)研究與設(shè)計(jì)[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2012.

[11] 杜林. 大電機(jī)主絕緣局部放電測(cè)量及老化特征研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2004.

[12] Bahadoorsingh S, Rowland S M. The relationship between insulation ageing and power network performance[C]. Solid Dielectrics, 2007. ICSD'07. IEEE International Conference on. IEEE, 2007: 180-183.

Analysis and Simulation of Insulation Fault Characteristics in the Medium Voltage Power System of Ship

Tu Fangming

( Naval Representatives Office of 438 Factory, Wuhan 430060, China)

On the basis of existing common medium-voltage AC power system in shipboard, insulation fault model is established. Insulation characteristics of the high resistance grounding is analyzed, mainly including the relation of grounding fault phase and non fault phase current, voltage, and zero sequence voltage characteristics with the insulation fault resistance, neutral point resistance. The electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMTDC is used for the simulation. The paper provides theoretical foundation for insulation monitoring method in the future, and the conclusion that the insulation resistance can be calculated by the zero sequence voltage will be applied in the future.

marine medium voltage power system; high resistance grounding; zero sequence voltage; insulation resistance

TM85

A

1003-4862（2016）04-0026-04

2015-07-20

涂方明（1979-），男，本科。研究方向：船舶電氣。