船舶交流中压电力系统绝缘故障特性分析与仿真

涂方明



船舶交流中压电力系统绝缘故障特性分析与仿真

涂方明

（海军驻武汉四三八厂军事代表室，武汉430060）

本文依据现有常见的中压船舶电力系统，建立了船舶交流中压电力网络绝缘故障模型，对其中性点经高阻接地方式下绝缘特性进行了全面的理论分析，主要分析了该接地方式下故障相、非故障相的电流、电压，以及零序电压等特征量与绝缘故障电阻、中性点接地电阻的关系。利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC进行仿真。为今后该系统绝缘监测方法的提出打下了理论基础，同时利用表征的零序电压来计算绝缘电阻的结论具有工程实用价值。

船舶交流中压电力系统 高阻接地 零序电压 绝缘电阻

0 引言

由于船舶电力系统功率、容量和电压等级的提升，以及中性点接地方式的改变，对船舶交流中压设备和电缆的绝缘性能提出了更高的要求[1]。目前船舶中压电力系统的绝缘故障监测与保护方法还尚待完善，需要参考陆地电网进行实施。但船舶电力系统由于其特定的使用环境相对于陆地电力系统又具有明显的特殊性，目前针对船舶交流中压电力系统组成结构和运行方式的绝缘故障特性的研究仍处于初步探索阶段，并没有较系统和全面的研究[2,3]。所以针对船舶交流中压电力系统组成结构和运行方式的绝缘故障特性的研究是十分必要的，也是选择船舶交流中压电力系统绝缘监测与保护方案的基础。

对于目前的中压电网来说，为了限制间歇性电弧接地过电压，同时考虑到与系统对地电容为并联关系，一般选择中性点经高阻接地的方式[4-6]。根据数据统计来看，电网的单相故障占短路故障的70%以上。因此本文主要分析中性点高阻接地的船舶中压电力系统在单相绝缘故障时各特征量的变化规律。通过建立仿真模型对理论分析进行了验证，根据仿真结果提出了最适合表征船舶交流中压电力网络绝缘状态的特征量。

1 船舶交流中压电力系统模型

由于船舶中压电网的三相电缆间及电缆与船壳之间存在较大的分布电容，当系统正常运行时，分布电容间会出现充电电流。但由于充电电流很小，其在线路上产生的压降也可以忽略。因此在分析船舶交流电网充电电流时可用集中参数电路表示[7,8]。

下图1为船舶交流中压电力系统对地参数等效模型，中性点接地方式为经高阻接地。

假设系统共有n条负载支路，中性点接地电阻为R，令

则可将图1中的对地参数等效模型简化如图2所示。

由系统的对地总漏电流守恒可知：

故有

解得中性点对地电压

因为第k条支路的漏电流等于该支路A、B、C三相的漏电流之和，则第k条支路的漏电流的表达式为

即

2 船舶交流中压电力系统零序电压分析

下面以图3高阻接地系统绝缘故障等效模型为例对零序电压进行分析。

在中性点经高阻接地系统中，中性点接地电阻两端电压即为零序电压，零序回路中线路对地分布总电导两端也为零序电压。

当发生绝缘劣化故障时，相当于某相发生经过渡电阻接地故障，这时由于过渡电阻的存在，电网的故障特征就会减弱，故障暂态过程延长，有可能导致系统继电保护装置的拒动[9,10]。

1）当系统存在一定程度的电容不平衡时

认为绝缘良好时，图中R= R= R= R=+∞，设A相电容不平衡，令C= C= kC，C= C= C，为电容不平衡度，此时零序电压表达式为：

2）当系统中发生单相绝缘故障时

令，C= C= C= C设B相发生经过渡电阻R单相接地故障，则零序电压表达式为：

由式（6）~（9）可见，

① 船舶电力系统相电容的不平衡和绝缘下降，即单相经过渡电阻故障的表现形式十分相似，都会发生中性点电压偏移，零序电压幅值增大，三相电压出现不对称。

② 零序电压受电网零序阻抗控制，零序阻抗包括电缆线路的对地分布阻抗、中性点接地电阻以及过渡电阻。

③ 当过渡电阻值越小时，零序电压变化幅度越大，故障特征越明显。

④ 系统三相电容不平衡度越大，零序电压越大。

⑤ 由（7）（9）可以看到，无论是绝缘故障还是不平衡导致的零序电压偏移，偏移的相位与故障相的相位夹角都小于90°。

3 船舶交流中压电力系统绝缘故障仿真

利用电力系统仿真软件PSCAD对中性点高阻接地系统绝缘故障进行仿真建模分析，以两台发电机并联运行的情况为例，系统模型如图4所示。设置系统参数：发电机额定电压为6300 V，额定频率为50 Hz，系统单相对地总电容为C=33 μF。

本仿真模型首先设置的单相故障类型分为两种，一种是间歇电弧接地故障，另一种是金属性接地故障。仿真时间为200 ms，为工频10个周期时间。在系统运行50 ms时启动间歇电弧接地故障模块，模拟2~3个周期的间歇电弧接地故障，在系统运行90 ms时启动金属性电阻接地故障模块。

然后对单相经绝缘电阻故障情况进行仿真，设置不同的过渡电阻值，考察高阻接地系统三相电压、电流及零序电压变化情况。此时仿真结果如下：

表1 不同过渡电阻情况下仿真数据

观察表1可见，高阻接地系统在未发生绝缘故障时，零序电压为零，中性点接地电流为零；当发生绝缘故障时零序电压、故障点电流、中性点电流都随着过渡电阻值的增大而不断减小，尤其是绝缘电阻值在1000 Ω以上时，故障特征量越发不明显。高阻接地系统绝缘故障时的非故障相的过电压倍数均可以控制在2倍以内，当发生间歇性电弧故障的时候在电弧接地瞬间会有较大的过电压和故障电流，在电压达到稳定之后，过电压为相电压的1.732倍左右。而且两台发电机中性点电流之和均不超过10 A，仿真结果与理论分析一致[11]。

表2 零序电压随分布电容不平衡度的变化表

由表2可见，当系统分布电容不平衡时，中性点电阻两端将产生电压，即零序电压，不平衡度越大，零序电压幅值也随之迅速增大。仿真结果与理论分析一致。虽然船舶电力系统由于电缆较长，分布电容较大，但是一般在三相系统中，由于发电机、变压器等设备都具有良好的对称性，如果不附加任何电容器等，系统的不平衡度不会很大[12]，一般偏差不会超过。

4 结论

通过分析船舶中压电力系统普遍采用的中性点高阻接地方式，对该接地方式下的绝缘故障特性和规律进行了理论计算，得出

1）船舶电力系统相电容的不平衡和绝缘下降，都会使三相电压出现不对称，产生零序电压，且均呈现正相关性。

2）但从表中可以看出电容不平衡所引起的零序电压变化较绝缘破损所引起的变化要小得多。但仍需考虑。

结合PSCAD暂态仿真，进一步验证了中性点接地电阻值、故障点过渡电阻与零序电压以及非故障相和故障相的电压、电流的之间的变化关系，为今后寻找零序电压与绝缘电阻之间的关系提供了方法，为船舶交流中压电网在线绝缘监测方法的研究打下了基础。

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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：船舶电气。