艦船中壓電力系統(tǒng)間歇性接地故障判定方法研究

宋亞偉，沈 兵，陳 亮

?

艦船中壓電力系統(tǒng)間歇性接地故障判定方法研究

宋亞偉，沈 兵，陳 亮

（海軍工程大學，武漢 430033）

為了保證艦船中壓電網(wǎng)的可靠運行，本文對艦船電網(wǎng)存在的多種類型的接地故障進行了分析，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了含有多條支路的仿真模型，并對仿真結果進行了相關的分析，最后得到了一種針對間歇性接地故障的判定方法。

艦船中壓電力系統(tǒng) 間歇性接地故障 MATLAB仿真分析 故障判定方法

0 引言

間歇性接地故障是艦船電力系統(tǒng)下的一種常見故障，而隨著艦船電力系統(tǒng)電壓等級從低壓提升到中壓，這不僅對電氣設備的絕緣與安全性能提出了更高的要求，而且也帶來了很多應用的難題。艦船中壓系統(tǒng)中包含大量中壓設備并鋪設較長的中壓電纜，對地電容影響不容忽視，在艦船電力系統(tǒng)具有較大對地電容時，一旦發(fā)生單相接地故障會產(chǎn)生較大的容性故障電流接地電弧不但不能自行熄滅，而且系統(tǒng)還要承受弧光接地過電壓（最高可達額定相電壓的3.5到5倍）。同時不斷發(fā)生的間歇性接地故障也對電氣設備的絕緣保護裝置造成過電壓的沖擊，長時間的故障過電壓會嚴重降低電纜，發(fā)動機絕緣可靠性。若無法及時排除故障，則極易從單相故障擴大成為多相短路事故。

針對在艦船中壓電力系統(tǒng)下間歇性接地故障頻發(fā)的情況，找到一種檢測判定間歇性接地故障的方法具有很強的必要性和現(xiàn)實性。本文采用了間歇性檢測方法，來判斷系統(tǒng)是否有間歇性接地故障，并在Matlab/Simulink平臺上實現(xiàn)了故障判定仿真，得到了一種間歇性接地故障的判定方法。

1艦船中壓電網(wǎng)單相接地故障數(shù)學模型

在A相發(fā)生接地故障以后，該相電壓降為零，中性點電壓上升成相電壓。如果忽略負荷電流和電容電流在阻抗上的壓降，系統(tǒng)中A相對地電壓均為零，同時B相和C相對地電壓升高為原來的倍，即：

（2）

（3）

故障點的零序電壓為

在故障處非故障相中產(chǎn)生的電容電流為：

（5）

以下分析各線路的零序電流:

在非故障線路1上，A相電流為零，B相和C相流有本身的對地電容電流和，故線路1始端的零序電流為:

而在故障線路2上A相對地電容電流為零， B相和C相流有本身的對地電容電流和，全系統(tǒng)對地電容電流之和從接地點流回，其值為:

（8）

2艦船電力系統(tǒng)間歇性接地故障判定方法簡述

由第一節(jié)可知，當發(fā)生接地故障時，中性點會產(chǎn)生零序電流，而發(fā)生間歇性接地故障、單次接地故障與金屬性接地故障的零序電流特性不同，所以可以把發(fā)生不同的故障模式的故障支路零序電流特性作為故障判據(jù)，來判定系統(tǒng)到底是否發(fā)生間歇性接地故障。首先通過測定系統(tǒng)中性點的零序電流與閾值0（艦船電力系統(tǒng)可能由于三相電容的不平衡造成中性點有一定的零序電流）比較來判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障，然后通過選線比較，將每條線路的零序電流幅值信號與閾值1比較，確定是哪條線路出現(xiàn)故障。再將得到的信號與1重復比較，當大于1的次數(shù)大于次數(shù)閾值0時，確定系統(tǒng)發(fā)生了間歇性的接地故障。

3間歇性接地故障判定方法Matlab/Simulink仿真驗證

艦船中壓電力系統(tǒng)的接地故障選線的仿真，重點是完成輸電線路建模與參數(shù)設計。使用Matlab/Simulink中的Simpowersystems工具箱可以選擇π型等效電路模塊和分布參數(shù)線路模塊這兩種數(shù)學模型可以完成仿真設計，這兩種模型都考慮到了自阻抗和互阻抗的問題，比較理想。針對中壓艦船電力網(wǎng)絡線路支路眾多、傳輸距離短、負載影響大的特點，同時考慮到在實際艦船中壓電網(wǎng)中，導線和船體之間存在集膚效應，為保證仿真能較為準確描述線路RLC參數(shù)的依頻特性，最終選擇分布參數(shù)模型，作為艦船電力網(wǎng)絡仿真分析的線路模型。

下圖為間歇性接地故障判定Matlab/Simulink仿真模型。

如圖2所示，是典型的多支路艦船中壓一次網(wǎng)絡模型，設置系統(tǒng)額定電壓為6.3 kV,系統(tǒng)頻率為50 Hz，中性點接地電阻設置為1212W，線路負載設置為RL負載，分布參數(shù)模型里電纜長度選擇0.5 km作為支路長度。這里的艦船電力網(wǎng)絡單相接地故障仿真建模以中壓艦船中性點經(jīng)高電阻接地系統(tǒng)為例，假設艦船電站連接四條支路，并在第四條線路上發(fā)生接地故障。本文根據(jù)艦船電網(wǎng)發(fā)生電弧故障的特點采用理想開關模型接地作為電弧接地的故障模型，設計合理的時間數(shù)來控制理想開關進而達到模擬支路接地故障。

在模擬過渡電阻為500W和20000W的工況下，分別設置單次接地故障，金屬性接地故障和間歇性接地故障三種不同的故障模式，采集數(shù)據(jù)的時間窗口都設置為0.6 s。對于單次接地故障，在0.3 s設置故障，0.32 s結束故障；對于金屬性接地，設置0.25 s處發(fā)生金屬性接地；對于間歇性接地故障，設置0.01 s到0.05 s，0.07 s到0.09 s，0.12 s到0.15 s，0.18 s到0.2 s， 0.26 s到0.29 s， 0.34 s到0.4 s，0.5 s到0.55 s的時間段內(nèi)發(fā)生故障。同時設置零序電流閾值1在過渡電阻為500W時為1.5 A，在過渡電阻為20000W時為0.04 A。設置次數(shù)閾值0為5次，超過5次發(fā)生間歇性接地故障報警。采集窗口內(nèi)并采集在三種不同故障模式下故障線路的零序電流和零序電流幅值曲線，采集的故障波形如下圖所示：

圖2 多支路艦船中壓一次網(wǎng)絡模型

如圖3,圖4和圖5所示，虛線代表非故障支路的零序電流幅值波形，實線代表故障支路零序電流幅值波形，當艦船電力網(wǎng)絡中的輸電電纜某點突然發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)的中性點零序電流會大于閾值0，故障線路和正常線路會產(chǎn)生不同的零序電流波形，可以通過對各線路零序電流的采集處理與閾值1比較來完成對間歇性接地故障的判定。

在0.6 s的檢測時間窗口內(nèi)，在過渡電阻為500W和20000W的設定工況下，故障模式A和故障模式B的零序電流幅值都只超過閾值1次，而故障模式C的零序電流幅值在過渡電阻為500W和20000W時都超過了閾值7次，超過了次數(shù)閾值0達5次，因此判定故障模式C發(fā)生了間歇性接地故障，從而完成了對艦船中壓電力系統(tǒng)下的間歇性接地故障的判定。

4總結

本文通過對艦船電力系統(tǒng)單相接地故障零序電流的數(shù)值分析和基于Matlab/Simulink的輸電線路故障仿真平臺的實驗仿真，實現(xiàn)了在接地過渡電阻從500W到2000W很寬的幅度范圍內(nèi)對艦船電力系統(tǒng)在發(fā)生間歇性接地故障時的判定,為后期的快速準確地定位絕緣故障提供了基礎，從而提高了艦船動力系統(tǒng)的可靠性。

[1] 肖白, 束洪春, 高峰. 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法綜述[J]. 繼電器, 2001, 29(4):16-20.

[2] 束洪春.配電網(wǎng)絡故障選線[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2008.

[3] 王宏亮，沈兵，陳亮.基于行波法的中壓艦船電網(wǎng)接地故障選線方法的仿真分析[J].船電技術,2013,12:36-38.

[4] 宋健，船舶中壓電站實驗室的設計與研究[D].大連:大連海事大學，2009.

[5] 楊鋒，沈兵，莊勁武，等．艦船電網(wǎng)小電流接地選線的工程應用研究．繼電器，2005，33（3）：34-36.

[6] ChengyongZhao，YanfenGuo，GengyinLi.The similitude power detection onsingle-phase-to-ground fault in the non-solidly grounded system. Transmissionand Distribution Conference and Exhibition: Asia and Pacific, 2005 IEEE/PES，2005，(4):1-5.

[7] Zero sequence parameters measurement for ineffectively earthed power systems. transmission and distribution conference and exhibition: Asia and Pacific,2005，IEEE/PES，Publication Date: 15-18 Aug. 2005: 1-5.

Method to Determine Intermittent Grounding Fault Location in Medium Voltage Power System of Ship

Song Yawei, Shen Bing,Chen Liang

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to ensure reliable operation of shipboard medium voltage power system, In this paper, many types of grounding faults in shipboard power system are analyzed and studied. Meanwhile, a simulation model of shipboard medium voltage power system with multiple branches is built on Matlab/Simulink, and the simulation results are analyzed. Finally, a method to determine the intermittent grounding fault is obtained.

shipboard medium voltage power system; intermittent grounding fault; Matlab simulation analysis; grounding fault determination

TM711

A

1003-4862（2017）01-0010-03

2016-07-15

宋亞偉(1990-),男，碩士。研究方向：艦船電力系統(tǒng)安全運行。Email:fredericksoong@foxmail.com