电力系统选择性保护仿真研究

杨　明，徐　毅，孙宏光（.海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连60；.浙江高速投资发展有限公司，浙江宁波 35000）



电力系统选择性保护仿真研究

杨明1，徐毅2，孙宏光1
（1.海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连116021；2.浙江高速投资发展有限公司，浙江宁波 315000）

摘 要：针对船舶电力系统的特性，建立了电力系统选择性保护的断路器和熔断器数学模型，利用电磁暂态仿真软件搭建了全系统仿真模型。仿真分析了典型故障下各种瞬动保护设置方案的保护结果，得出了最优的瞬动保护设置方案。

关键词：电力系统保护仿真

0　引言

船舶电力系统是一个非线性、强耦合的复杂系统，其保护系统的选择性对于系统安全、可靠供电具有重要的意义。保护的选择性是指电力系统发生故障时，保护装置只选择最靠近故障处的线路使之断开的性能[1]。电力系统保护的选择性与保护装置的动作特性、整定方法、系统结构、运行方式、负载短路特性以及故障特征等诸多因素有关。

目前广为使用的船舶电力系统保护执行元件是中低压断路器和熔断器，它们的基本功能是在所要求的时间内重复或单次切断故障电路，改变系统的连接结构，以保证整个电力系统和重要电力设备免受短路等重大电力事故的破坏[2]。常用框架断路器一般具有过载长延时、短路短延时和短路瞬时三段保护延时特性，熔断器一般仅具备过载保护和短路瞬动保护特性，对断路器各段保护特性中的启动电流和延时时间参数的整定选择以及熔断器保护特性的选择，关系到各级断路器是否能够按照选择性保护要求准确隔离故障区域。短路故障发生时，在开关的触头间隙或熔断器熔体上会产生电弧，掌握电器电弧的特性是保护电器设计研究的关键。

本文建立了船舶电力系统选择性保护的断路器和熔断器数学模型，在此基础上建立了仿真模型并进行仿真分析，得出了最优的保护整定方法。

1　断路器和熔断器数学模型

1.1 断路器数学模型

描述断路器开断过程的模型有两大类：黑盒模型和物理数学模型。建立并应用电弧黑盒模型的基本思路就是不深究灭弧室内部复杂的物理过程，只着眼于电弧的外特性，将其行为视为一个由若干时间变量（电压、电流、电导）及时变电弧参数表示的电路元件并将其与所在网络联解来推断电弧的燃灭趋向[3]。

电弧电导公式遵循能量的一般规律，未对电弧电导等参数进行任何限制，对所有黑盒模型都成立。众多学者根据不同的假设，提出了各自的电弧黑盒模型。Cassie电弧模型和下面的Mayr电弧模型是影响和应用较为广泛的两种黑盒模型[4]。

Cassie在考虑电弧模型时假定：

1）电弧具有圆柱形的气体通道的形状，其截面有均匀分布的温度；

2）电弧通道具有相当明确的界限，即直径，在直径以外气体电导率很小；

3）假如通过电弧通道的电流变化，则其直径也同时变化，但是温度没有变化，认为电弧的温度在空间和时间上都保持不变；

4）电弧等离子体的能量和能量散出速度与弧柱横截面的变化成正比，能量散出是因为气流或与气流有关的弧柱变化过程所造成，不考虑从电极散出的能量。Equation Section （Next）

基于以上假设，Cassie电弧模型可以表示为：

其中，cτ是Cassie电弧模型定义的时间常数；u表示电弧电压；Uc表示电弧电压梯度，在静态时是常数，与电流值无关。

Mayr电弧模型考虑以下假定条件：

1）弧柱为一直径不变的圆柱体，其中温度随离开轴线距离的增大而降低；

2）只研究长弧情况，即认为电弧电压等于弧柱压降，同时不计沿轴向和从电极散发的热量；

3）弧柱功率的散发主要是由于传导和一部分辐射，不考虑对流，从电弧间隙散发的能量是常数；

4）不考虑弧柱中气体的热物理性质随温度变化的关系；

5）弧柱中的热电离情况，可按沙哈方程确定。这样，Mayr电弧模型可以表示为：

式中，τM是Mayr电弧模型定义的时间常数；N是电弧能量耗散功率。时间常数的物理意义为，当电弧电流消失后，电弧电阻增大e倍所需的时间。它是说明电弧动态性能很重要的参数。时间常数越大，电弧电阻上升越慢。时间常数的大小就说明了电弧电阻的热惯性。

大量研究表明，Cassie方程较合适于大电流的燃弧期间对电弧外特性的分析[3]，Mayr方程比较适用于小电流情况下的电弧过程分析。考虑到本文所针对的船舶电力系统发电机组容量大和馈线短，故障短路电流较大（供电网侧短路电流峰值将达到10KA以上），断路器需要分断较大电流，因此本文选择Cassie电弧模型描述断路器电弧特性。

1.2 熔断器数学模型

熔断器熔断过程可分为弧前和电弧两个阶段，在熔断过程中表现为一个非线性电阻，其电阻Rf在熔断过程中是随时间不断变化的。可分别采用分断可变电阻来描述。在弧前阶段，短路电流流过熔断器可熔元件，消耗有功功率用于发热以提高熔体温度，可假设熔断器弧前具有绝热特性，则有

式中，θ为可熔元件的温度，μ、c分别为介质密度和比热容，Q为电流产生的热量，其与短路电流的平方及时间t成正比。

在弧前阶段，电阻率则设置成根据温度变化

式中，0ρ为0°C时可熔元件的电阻率，α为比例系数。

当可熔元件温度达到其熔点θmelt，可熔元件开始熔断并起弧，进入电弧阶段，其电阻率显著增大[5]，如错误！未找到引用源。所示。熔断器电弧阶段的电弧模型仍可采用Cassie电弧模型来描述。

2　仿真分析

基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立全系统仿真模型如错误！未找到引用源。2所示。

2.1 典型故障点设置

故障点设置如错误！未找到引用源。3所示。

图2　全系统仿真模型

图3　故障点设置

图中，DZ1、DZ4为主配电板负载断路器，DZ2、DZ5为配电中心断路器，DZ3、DZ6为分配电箱断路器。T1为变压器，I为前主配电板汇流排，II为后主配电板汇流排。

2.2 典型故障仿真分析

GJB4000规定发电机断路器应设置瞬时保护，其瞬时始动电流整定值应大于或等于被保护发电机不对称短路电流最大有效值的120%，但对于母联断路器和跨接断路器是否应设置瞬动保护，并没有明确要求。以下结合典型故障仿真分析结果，对母联断路器和跨接断路器瞬动保护设置进行分析。

2.2.1 母联断路器和跨接断路器均不设置瞬动保护

按照GJB4000中对发电机断路器的瞬时始动电流设置规定，发电机机断路器仅在流过两台及两台以上并联发电机机组短路电流才会瞬动，这种情况仅在短路点处于发电机组与主配电板间的线路时才会出现，而由于母联断路器和跨接断路器不设瞬动保护，因此影响系统保护选择性的主要是断路器的短延时特性。按照上述设置方式，对各故障点重新进行仿真测试，部分仿真结果如表1所示。

短路时，各种机组组合方式下，保护动作均是跨接断路器短延时DW7或DW8跳闸断开，其他断路器不动作，保护选择性较好。在F4点故障时，各种机组组合方式下，保护动作均是岸电断路器DW9瞬动跳闸断开，其他断路器不动作，符合保护选择性要求。由以上仿真结果可以看出，若母联断路器和跨接断路器均不设置瞬动保护，则在F1、F2点故障时，在多种机组组合方式下，均出现了跨接断路器断开导致故障影响范围扩大的情况，甚至出现正常母排无法与故障点隔离，导致母排无法恢复供电的情况，保护选择性和供电联系性均较差。

表1　仿真结果分析1

2.2.2 跨接断路器设置瞬动保护而母联断路器不设置瞬动保护

对照上述故障和机组设置方式，对各故障点重新进行仿真测试，跨接断路器瞬动延时误差为±5ms 。

在F3点短路时，各种机组组合方式下，保护动作均是跨接断路器DW7或DW8瞬动跳闸断开，其他断路器不动作，保护选择性较好。在F4点故障时，各种机组组合方式下，保护动作均是岸电断路器DW9瞬动跳闸断开，

其他断路器不动作，符合保护选择性要求。由仿真结果可看出，与母联断路器和跨接断路器均不设置瞬动保护的保护整定方法类似，在F1、F2点故障时，也出现了故障影响范围扩大，以及正常母排未能与故障点隔离，无法恢复供电的情况，保护选择性和供电联系性均较差。

2.2.3 母联断路器设置瞬动保护而跨接断路器不设置瞬动保护

对照上述故障和机组设置方式，对各故障点重新进行仿真测试，跨接断路器瞬动延时误差为±5ms 。

在F3点短路时，各种机组组合方式下，保护动作均是跨接断路器短延时DW7或DW8跳闸断开，其他断路器不动作，保护选择性较好。在F4点故障时，各种机组组合方式下，保护动作均是岸电断路器DW9跳闸断开，其他断路器不动作，符合保护选择性要求。

由仿真结果可看出，若母联断路器瞬动启动电流整定为19000A，瞬动延时时间设定为20± 5ms，按照当前发电机组励磁系统仿真模型，可以使得单机短路电流流过断路器时不会瞬动跳闸，从而保证跨接线发生短路故障时，总是跨接断路器短延时跳闸断开。与上述保护设置方案相比，采用母联断路器设置瞬动保护而跨接断路器不设置瞬动保护整定方法可以有效提高系统保护选择性。

3　结论

综合比较各种瞬动保护设置方案的故障保护仿真结果，认为采用母联断路器设置瞬动保护而跨接断路器不设置瞬动保护的瞬动设置及整定方案最优。

参考文献:

[1] 李麟，沈兵，庄劲武．舰船电力系统[M]．武汉：海军工程大学出版社，2003:9-13.

[2] 李麟，沈兵．舰船电力系统及自动化[M]．武汉：海军工程大学出版社，2001:38-39．

[3] 王其平．电器电弧理论[M]．北京：机械工业出版社，1982:218-219．

[4] 徐国政，张节容，钱家骊，等．高压断路器原理和应用[M]．北京：清华大学出版社，2000:13-19.

[5] 毛柳明，文远芳，周挺．高压限流熔断器熔断过程及过电压研究[J]．高电压技术，2008，34（4）:820-823.

Simulation Research of Protection of A Power System

Yang Ming1,Xu Yi2,Sun Hongguang1
（1.Naval Representatives Office in Dalian Area,Dalian 116021,Liaoning,China;2.Zhejiang Expressway Investment Development Company,Ningbo 315000,Zhejiang,China）

Abstract:According to the features of the ship’s power system,mathematical model of breakers and fuses are set up,and all system’s simulation models are set up by Pscad.Protection results of power distribution’s typical breakdown are analyzed,and the optimal safeguard solutions are also presented.

Keywords:power system;protection;simulation

作者简介：杨明（1973-），男，高级工程师。研究方向：舰船监造。

收稿日期：2015-11-09

中图分类号：TM561

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）01-0026-04