張彥魁 ，畢大強 ，劉同和

1電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100084 2清華大學電機系，北京100084 3河南省濮陽供電公司，河南濮陽457000

船舶中壓電網(wǎng)高阻接地方式機理研究

張彥魁1，2，畢大強1，2，劉同和3

1電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100084 2清華大學電機系，北京100084 3河南省濮陽供電公司，河南濮陽457000

高阻接地方式用于船舶中壓電網(wǎng)時，對其機理和規(guī)律迄今還缺乏定量研究。在對船舶中壓電網(wǎng)單相接地故障進行理論分析的基礎上，以一個具有勵磁電壓控制及柴油機調(diào)速的單機系統(tǒng)為例，結合Simulink暫態(tài)仿真，研究阻抗比、發(fā)電機頻率偏移、燃弧時刻角以及故障點過渡電阻等對熄弧恢復電壓、重燃過電壓、中性點位移電壓以及故障電流的影響。結果表明：隨阻抗比增加，熄弧電壓恢復過渡時間越長，恢復電壓峰值越大，重燃過電壓也越嚴重；提高阻抗比可減小故障電流，但減小程度逐漸趨緩，還會使重燃過電壓增加；發(fā)電機頻率偏移可能會引起較大的暫態(tài)過電壓；燃弧時刻對故障電流幾乎沒有影響。最后給出高阻接地方式的一般配置原則。

船舶中壓電網(wǎng)；高阻接地；熄弧恢復電壓；重燃過電壓；故障電流

0 引 言

隨著現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)容量的不斷上升，提高電壓等級成為必然，船舶中壓電網(wǎng)由此出現(xiàn)。由于鋼質(zhì)船體優(yōu)良的導電特性等，電壓等級的提高會帶來一系列技術問題，如故障電流限制、電氣設備尤其是中高壓發(fā)電機絕緣及人身安全等。同時，隨著船舶電網(wǎng)結構的復雜化，故障概率增加，尤其是大量的電纜線路使得電容電流大增，單相接地燃弧過電壓變得嚴重。正確選擇接地方式，才能保證船舶中壓電網(wǎng)供電的可靠性與安全性。

相對陸地電網(wǎng)及發(fā)電機中性點接地方式，船舶電網(wǎng)在這方面的研究很少［1-6］。尤其高阻接地作為船舶中壓電網(wǎng)主要接地方式之一，對其認識仍停留在定性描述上，缺乏對其機理和規(guī)律的定量分析［7］。本文將首先通過嚴格的理論推導分析高阻接地方式下，中性點電阻及系統(tǒng)電容對熄弧恢復電壓的影響，然后結合暫態(tài)仿真研究各種參數(shù)及因素對暫態(tài)過電壓和故障電流的影響，以為接地裝置選型以及保護配置等提供理論依據(jù)。

1 理論分析

對單相接地故障熄弧和重燃，有不同的學術觀點，迄今主要有高頻電流過零熄弧理論、工頻電流過零熄弧理論、弧道介質(zhì)恢復強度理論以及總電流過零熄弧理論［8］。本文的研究基于總電流熄弧理論，假設燃弧一段時間（如2～3個工頻周期）之后電流過零時熄弧，如果沒有諧波分量，可以認為是工頻電流熄弧，而在故障點恢復電壓達到極大值時發(fā)生重燃。對高阻接地方式，燃弧和熄弧用開關的接通與斷開來模擬，則船舶電網(wǎng)單相接地故障等效模型如圖1所示。

圖1 單相接地故障等效模型Fig.1 Equivalent model of single-phase to ground fault

其中，每相繞組與外接元件對地電容及集中參數(shù)等效至機端，C0=Ca=Cb=Cc；Ls為發(fā)電機等效電感；Rn為中性點電阻；Rt為接地過渡電阻，當接地熄弧時，除去該故障支路。只考慮發(fā)電機基波電勢，且故障前后故障不變，忽略等效發(fā)電機電阻，則單相接地熄弧時的暫態(tài)網(wǎng)絡分析儀模型（TNA）為

其中，

單相接地熄弧后，三相電壓恢復至原來的對稱情況，因此，可以采用坐標軸設在定子邊的120坐標系統(tǒng)，將狀態(tài)方程（1）經(jīng)坐標變換后進一步解耦。采用磁勢不變的120坐標變換有

將式（2）代入式（1），經(jīng)整理，可將方程分為3部分，分別稱為子系統(tǒng)1、子系統(tǒng)2和子系統(tǒng)0，對應的方程如下：

式中：Um為基波電勢幅值；φ為初相角。式（3）對應的等值電路如圖2所示?？紤]到un=u0，in=3i0，可將圖2（c）等效成圖2（d）。

圖2 單相接地熄弧的120坐標變換等值電路Fig.2 Equivalent circuit with 120 coordinate transformation for the extinguish arc of single fault

在高阻接地情況下，相比系統(tǒng)容抗及中性點電阻，圖2（d）中的電感 Ls可以忽略，即相當于一個一階RC電路。令R=Rn，C=3C0，則中性點電壓為

式中，μ=1/RC，為衰減常數(shù)。則中性點電壓與故障相電勢之和即為故障相恢復電壓

定義中性點阻抗比 Kr=R/Xc，其中 Xc為系統(tǒng)容抗。假設 C=0.5 μF，Kr=1.0，1.5，2.0時，故障相恢復電壓的包絡線如圖3所示。本文采用標幺值表示電壓，基準電壓為6.6 kV，單位為p.u。

可知，隨阻抗比增加，熄弧電壓恢復“超調(diào)”也越大，從而影響重燃過電壓。熄弧恢復電壓初始速度V0也即恢復電壓包絡線在初始時刻的倒數(shù)，在初始時刻很小的時間內(nèi)，可將指數(shù)及余弦項展

圖3 熄弧恢復電壓包絡線Fig.3 Envelope of arc-extinct recovery voltage

其包絡線為開并忽略高次項得

由式（7）可知，熄弧電壓恢復初始速度基本與中性點電阻及系統(tǒng)電容無關，這一點與消弧線圈接地顯著不同。

2 實例研究

根據(jù)理論分析并結合Simulink仿真，以一個具有勵磁電壓控制及柴油機調(diào)速的單機系統(tǒng)進行實例分析，如圖4所示。其中，發(fā)電機額定線電壓6.6 kV、額定功率3.57 MW、推進電機1.2 MW、RL負載0.5 MW，電纜采用π型電路，系統(tǒng)總電容0.48 μF。考慮到過電壓最嚴重的情況，假設機端A相金屬性接地。

圖4 研究系統(tǒng)的簡化示意圖Fig.4 Simplified schematic diagram of example system

2.1 中性點電阻的影響

與消弧線圈接地方式不同，中性點接地電阻不能補償電容電流，接地故障電流通常比較大。下文分析阻抗比對熄弧電壓恢復、重燃過電壓以及接地故障電流的影響。

2.1.1 對熄弧電壓恢復的影響

借用控制原理二階系統(tǒng)的超調(diào)概念，阻抗比Kr對熄弧電壓恢復超調(diào)量σ及恢復時間ΔT的影響關系如表1所示。

其中，ΔT1為熄弧時刻至熄弧電壓恢復到額定值所需時間；ΔT2為熄弧時刻至熄弧電壓恢復到最大值所需時間；ΔTs為熄弧時刻至熄弧電壓恢復到穩(wěn)態(tài)所需時間。由ΔTs的變化趨勢可知，中性點電阻越大，熄弧后過渡過程時間越長。這是因為熄弧后故障點處電壓開始恢復，電容充放電電流的快慢受中性點電阻的制約，電阻越大，充放電速度越慢。如果中性點采用較大的接地電阻，那么熄弧恢復電壓將超出正常運行時的電壓峰值。而且電阻越大，電壓超出越多。根據(jù)式（5）與式（6）的定性分析也可以得到相似的結論，如圖3所示。

表1 阻抗比對熄弧電壓恢復超調(diào)量及恢復時間的影響Tab.1 Effect of impedance on the overshoot and time of arc-extinct recovery voltage

由ΔT1及ΔT2可知，熄弧恢復電壓基本經(jīng)過1/4周期即可恢復至穩(wěn)態(tài)值，經(jīng)過約1/2周期可恢復至最大值，速度很快，沒有“拍頻”現(xiàn)象，因此重燃的可能性很大。由式（7）可知，熄弧電壓恢復初始速度基本與中性點電阻及系統(tǒng)電容無關，這一點與消弧線圈接地不同。而且，中性點接地電阻越大，恢復電壓便越高，因而重燃的可能性也越大；但何時發(fā)生重燃則與絕緣介質(zhì)的損壞程度和恢復程度有關。另外，當中性點電阻很大時，非故障相電壓，如C相電壓在熄弧恢復過程初期甚至會超過燃弧穩(wěn)態(tài)期間的電壓峰值。

2.1.2 對故障電流的影響

阻抗比Kr與故障電流的關系曲線如圖5所示。阻抗比Kr=0.5，3.0時的故障電流曲線如圖6所示。

圖5 阻抗比與故障電流關系曲線Fig.5 Effect of impedance ratio on fault current

圖6 不同阻抗比的故障點電流波形Fig.6 Fault current under different impedance ratios

可知：故障點電流由工頻和高頻分量組成，但穩(wěn)態(tài)時主要是工頻分量；中性點電阻越小，工頻分量成分便越大，當阻抗比Kr=0.005時（電阻約為10 Ω），基本上只包含工頻分量；隨著中性點電阻的增大，高頻分量也會隨之增加。此外，隨著中性點電阻的增加，故障點電流穩(wěn)態(tài)值及諧波分量均減小，但減小的程度逐漸趨緩。這是因為，隨著電阻的增加，中性點電流會減小，但是電容電流基本不變，因此接地故障電流雖然會減小，卻只能接近電容電流。

2.1.3 對重燃過電壓的影響

仍然考慮金屬性接地，不同重燃時刻T1和T2，中性點接地電阻的阻抗比與A相熄弧恢復電壓的關系曲線如圖7所示。

圖7 阻抗比與重燃弧過電壓關系曲線Fig.7 Effect of impedance ratio on re-strike overvoltage at different time

由圖可知，不同重燃弧時刻，重燃過電壓明顯不同。對于T1時刻重燃，隨著中性點電阻增加，C相重燃過電壓有下降趨勢，中性點位移電壓也有所下降，而B相重燃過電壓則略有上升，然后下降，起伏不大。對T2時刻重燃，隨著阻抗比的增加，B相、C相及中性點過電壓皆呈上升趨勢，且基本為直線上升。

由T1時刻定義可知，重燃初始狀態(tài)A相電壓都一樣，但中性點電阻越大，故障點處恢復電壓上升越大。對C相電壓來說，隨著中性點電阻的增加，電壓初始值也增加，且為正值，所以重燃后該電壓就越難被拉到更低值，因此其重燃尖峰過電壓也就越小。中性點位移電壓與C相電壓類似。B相電壓則有所不同，當阻抗比Kr≈2.0時，其重燃初始電壓處在最低處，此時重燃容易把B相電壓拉到最低位置。因此，相應于其他中性點接地電阻情況下的重燃過電壓要大。簡言之，T1時刻重燃，初始故障相電壓都一樣，電壓恢復過程雖略有不同，但基本在同一時刻達到“T2時刻”。中性點電阻越大，T2時刻故障點處電壓越高，意味著電容儲能越大，重燃時，高頻電容充放電電流的幅度也就越大，由此引起的非故障相暫態(tài)過電壓也就越大。

2.2 發(fā)電機頻率偏移的影響

在系統(tǒng)啟動、停機、甩負荷、過負荷以及失步等情況下，發(fā)電機頻率會發(fā)生偏移，此時發(fā)生的接地故障屬多重故障，概率很低。文獻［3］認為，在甩負荷情況下相電勢會升高，單相接地故障過電壓最為嚴重，且潛在危險較大，應予以考慮。

2.2.1 對熄弧恢復電壓的影響

取 Kr=1，發(fā)電機頻率改變后，調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)，使機端電壓維持在額定值。則發(fā)電機頻率對熄弧電壓恢復超調(diào)量σ及恢復時間ΔT的影響關系如表2所示。

表2 頻率對熄弧電壓恢復超調(diào)量及恢復時間的影響Tab.2 Effect of generator frequency on the overshoot and time of arc-extinct recovery voltage

可知，不同發(fā)電機頻率對應的熄弧電壓恢復時間基本上都在0.01 s左右，而50 Hz左右的電壓恢復超調(diào)量誤差在±5%以內(nèi)?？芍?，發(fā)電機頻率偏移對熄弧電壓恢復過程影響不大。

2.2.2 對重燃過電壓的影響

分析T1和T2時刻重燃過電壓。取Kr=1，發(fā)電機頻率對不同時刻重燃過電壓影響如表3所示。

表3 發(fā)電機頻率對不同時刻重燃過電壓的影響Tab.3 Effect of generator frequency on the re-strike overvoltage at different time

其中，UBov，UCov和UNov分別為 B相、C 相及中性點過電壓?？芍寒敯l(fā)電機頻率發(fā)生偏移，若勵磁調(diào)節(jié)使得相電勢基本維持不變，則頻率變化對重燃過電壓影響不大，這是因為頻率偏移對熄弧恢復電壓影響不大。此外，不同中性點接地電阻、重燃弧過電壓與頻率之間的關系所展示的規(guī)律是相似的，同樣頻率下，電阻越大，相應的重燃弧過電壓越高。

2.3 過渡電阻的影響

取阻抗比 Kr=1，則過渡電阻 Rt與過電壓及故障電流關系曲線如圖8和圖9所示。

圖8 過渡電阻對過電壓的影響Fig.8 Effect of transition resistance on overvoltage

圖9 過渡電阻對故障電流的影響Fig.9 Effect of transition resistance on fault current

可知，故障點電流及中性點電流受故障點過渡電阻的影響不大，但隨著電阻的增加，母線過電壓以及中性點位移電壓下降明顯。一般故障點過渡電阻約在零點幾歐姆至幾歐姆之間，相應地最大過電壓約為2.6 p.u。

2.4 燃弧時刻角的影響

上述分析均假設A相電壓達到峰值時發(fā)生接地故障。實際上，何時燃弧是不確定的，在電壓峰值附近也有可能發(fā)生燃弧。但與消弧線圈接地方式的情況大不相同，燃弧時刻角對接地故障電流幾乎沒有影響。燃弧發(fā)生后，故障電流經(jīng)過最初的高頻振蕩后很快進入穩(wěn)態(tài)，不同故障時刻角情況下的故障電流基本一致。

3 高阻接地方式配置原則

相比消弧線圈，高阻接地參數(shù)配置相對簡單。根據(jù)前述分析，一般原則如下：

1）阻抗比Kr的取值應在1.0附近，以限制重燃弧過電壓不超過允許值（如2.6 p.u），保證設備正常絕緣能力不被破壞；

2）限制接地故障電流小于某個允許值，或盡量小；

3）限制中性點電流不超過某個允許值，但要保證零序保護裝置動作；

4）對零序電壓保護應盡可能增大阻抗比，以提高接地保護靈敏度；

5）對零序電流保護應盡可能減小 Kr，以提高接地保護的靈敏度。

這些原則相互制約，與系統(tǒng)電容水平、保護配置以及接地裝置本身的配置有關。原則2）、3）和4）相一致，通過增大Kr，可以使中性點電流不超過允許值，同時使接地故障電流有所降低、零序電壓保護靈敏度增大。但增大 Kr與1）和5）相矛盾，過電壓有可能會超過允許值。如果配置零序電壓保護，對于絕緣等級較高的發(fā)電機及其他電氣設備，考慮一定過電壓安全裕度之后，應增大Kr，優(yōu)先滿足原則2），3）和4）。如果配置零序電流保護，則考慮一定的接地點及中性點故障電流的安全裕度之后，應適當減小 Kr，以滿足原則2），3）和5）。

高阻接入方式主要有兩種：經(jīng)單相接地變接于發(fā)電機中性點和經(jīng)三相接地變接于中壓母線。假設接地變變比為n，則第1種方式接地變二次側電阻為R2=Kr/(3n2ωC0)，第2種方式接地變二次側電阻為R2=9Kr/(3n2ωC0)，當 N臺接地變并列運行時，R2N=NR2。這些配置方式從限制故障電流及過電壓的角度具有相同的效果，應用于船舶電網(wǎng)時如何評價兩種配置方式的優(yōu)劣則是一個技術經(jīng)濟比較問題。

4 結 論

在對船舶中壓電網(wǎng)單相接地故障進行理論分析的基礎上，結合暫態(tài)仿真，研究了中性點阻抗比、發(fā)電機頻率偏移、燃弧時刻角以及故障過渡電阻等對熄弧恢復電壓、重燃過電壓、中性點位移電壓以及故障電流的影響。主要結論如下：

1）隨著阻抗比的增加，熄弧電壓恢復過渡時間越長，恢復電壓峰值越大，重燃過電壓也越嚴重。

2）接地故障電流比較大且在燃弧瞬間有顯著的高頻沖擊，迅速到達穩(wěn)態(tài)后，故障電流中基本僅含工頻分量。提高阻抗比可以減小故障電流，但減小程度逐漸趨緩，還會使重燃暫態(tài)過電壓增加。

3）在調(diào)節(jié)勵磁下，發(fā)電機頻率偏移對熄弧恢復電壓和重燃過電壓影響不大。由于頻率偏移過程相電壓有可能波動，當頻率上偏時可能會出現(xiàn)比較大的暫態(tài)過電壓。

4）故障點過渡電阻對故障電流影響不大，過電壓及中性點位移電壓則會隨過渡電阻的增加而明顯下降。

5）燃弧時刻角對故障電流幾乎沒有影響。

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Mechanism Research of High Resistance Grounding for Shipboard Medium Voltage Power Grid

ZHANG Yankui1，2，BI Daqiang1，2，LIU Tonghe3

1 State Key Laboratory of Power System，Beijing 100084，China 2 Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China 3 Henan Puyang Power Supply Company，Puyang 457000，China

When High Resistance Grounding（HRG）is used for shipboard Medium Voltage（MV）power grid，the mechanisms and laws can be quite complicated，which so far lacks quantitative research.Based on the theoretical analysis of single-phase ground fault for shipboard MV power grid，and taking a stand-alone system with diesel engine and excitation voltage control as example，this paper studies the HRG in detail combined with Simulink transient simulation.The research mainly focuses on the impact of impedance ratio of HRG on arc-extinct recovery voltage，re-strike overvoltage，neutral displacement volt?age，and fault current.In addition，the effects of generator frequency offset，arc angle，and fault transition re?sistance are also discussed.The results show that with the increase of impedance ratio，the longer the time of arc-extinct recovery voltage is，and the higher the peak of arc-extinct recovery voltage，the more seri?ous the re-strike overvoltage is.Increasing the impedance ratio could decrease the fault current，but the degree will slow down gradually.The generator frequency offsets can lead to greater transient overvoltage，while the arcing time angle has little impact on the fault current.At last，the general principle of HRG con?figuration is given.

shipboard medium voltage power grid；High Resistance Grounding（HRG）；arc-extinct re?covery voltage；re-strike overvoltage；fault current

U665.12

A

1673－3185（2014）02－89－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.016

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.016.html

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

2013－10－12 網(wǎng)絡出版時間：2014-3-31 16:33

張彥魁（1973－），男，博士生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)保護與控制。E-mail：lantingzhixi@126.com

畢大強（1973－），男，博士，高級工程師。研究方向：電力系統(tǒng)主設備繼電保護，電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用。E-mail：bidaqiang@tsinghua.edu.cn

畢大強

book=9,ebook=340

［責任編輯：喻 菁］