岸电系统短路电流计算与保护配置研究

余墨多，黄文焘，邰能灵，陈振宇，李瑶虹，杨 斌

（1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海市 200240；2.国网江苏省电力有限公司，江苏南京 210024）

引言

岸电系统作为将岸上电力与船舶相连接的系统，是向船舶进行分配与供给电能的重要环节，属于电力系统末端的配电系统。在岸电技术方面，现有岸电相关产品的技术完备度逐步提升，适应船用负荷供电应用需求的能力不断增强，国内上海港、连云港港、深圳蛇口港和宁波港等港口开展了岸电示范工程应用的前期探索。但岸电技术中还存在船舶岸电系统继电保护配置无标准，保护方案不健全等问题，以工程应用服务为立足的岸电技术体系存在着连接后的保护配置这一关键技术需求[1-3]。

在实际的岸电系统中，岸电系统实际运行中，由于船舶类型多样，存在船岸并网参数匹配困难、保护参数难以整定、保护方案难以配置的问题[4-9]。同时，世界上的船舶电力系统结构多种多样，形式多变，在电压等级、工作频率、网络结构等方面存在不同的差异[10-11]。为提高岸电系统供电可靠性，须对不同的船舶电力系统的短路电流进行计算分析，为岸电系统继电保护设计和工程安排提供依据。

本文通过计算船舶岸电系统短路电流，对船舶岸电系统连接后进行了故障分析。船舶短路电流的计算分为了电动机、变压器、电缆及船岸连接电缆的计算。为了保证船舶岸电系统的安全，提出了一套无需对时的差动保护及改进的电流保护。

1 船舶系统结构

采用交流电的船舶供电线制一般采用三相三线绝缘系统或以船体作为中性线回路的三相四线系统[12-13]。三相三线绝缘系统是采用最为普遍的线制。以该线制工作时，三相系统的中性点不人为接地。对于船舶而言，采用这种方式时，各电网没有直接电的联系，互相影响较小。在保证电网中电力设备对地绝缘强度够大时，不小心碰到任意一根电线的船员不会有触电的危险。更为重要的时，当电网中发生单相接地短路时，电网并不存在短路回路，可继续正常工作一段时间，这对于要求不间断供电的船舶而言是至关重要的。但这种配电线制对于继电保护装置而言是不利的，并且出现单相接地故障时，其他非故障相的对地电压会上升至原来的1.71 倍，这对于设备的绝缘是不利的。采用三相三线绝缘系统的船舶电力系统结构如图1 所示。

图1 采用三相三线绝缘系统的船舶电力系统

另外一种采用较多的线制是以船体为中性线回路的三相四线系统。该系统的三相系统中性点被认为接地，其中“地”是导电的船体。这种线制有效地克服了三相三线绝缘系统的缺点。当发生单相接地短路时，由于中性点接地，因此非故障相的对地电压将会保持在原来的值；同时，单相接地短路发生后，电源、故障相、短路点与船体形成电气回路，会出现较大的短路电流，这有利于继电保护装置的判断。此外，接地系统相较于三相三线绝缘系统，可以有效地引出单相电，并能够节省变压器。但是，在提高了继电保护装置工作灵敏度的同时，由于接地电流过大，容易出现故障，引发火灾；同时，在单相接地短路后，系统将不能正常工作，需要将故障立刻排除后才能继续工作，相对而言，系统工作的连续性不能得到保证；该线制并非绝缘系统，同时与船体有着电气连接，当船舶上工作人员触碰到某根电线时，容易发生触电事故。该系统的示意图如图2 所示。

图2 三相四线制的船舶电力系统

2 短路电流计算

为了能够量化分析各种船舶岸电网络的故障特性，本文对船舶上的电动机、变压器、电缆及船岸连接电缆进行了不同的建模，并依次进行了短路电流计算。建立的短路电流计算模型能够反映船舶岸电系统的短路电流水平。根据所计算出的短路电流，能够进行保护方案的设计与保护参数的整定，以更简便、直接地计算出保护整定值。

2.1 阻抗计算

1）电动机的电阻、电抗与阻抗计算

电动机的超瞬态电阻、电抗与阻抗可按下式进行计算：

在缺少确切数据时，以上公式的ηMcosφM可取0.76。

2）变压器电抗、电阻与阻抗计算

电抗器的处理与变压器相同。

3）电缆电抗与电阻计算

4）船岸连接电缆的电抗与电阻计算

在温度为20 °C 时，单位长度上的电阻Kr按下式计算：

单位长度的电抗按下式进行计算：

当频率f=50Hz 时：

n 为导体束中导体的根数，单根导体取n=1。

2.2 电网电源馈送短路电流计算

如图3所示，已知岸上变电所对靠港船舶供电点Q的电压UrQ，初始对称短路视在功率或初始对称短路电流（由陆上电业管理部门提供），则Q点电网电源的阻抗ZQ可按下列计算：

图3 岸上供电系统及其等效图

其中：c为电压系数，根据电网电压的等级按下列原则选取；

c=1.00，低压系统230 V/400 V，50 Hz；

c=1.05，其他的低压系统；

c=1.10，1kV以上的中高压系统；

电源电网阻抗ZQ=RQ+jXQ，取其中RQ=0.1XQ，XQ=0.995ZQ

如图4所示，岸上变电所通过电缆L向靠港船舶高压配电板HSB供电，则F点的初始对称短路电流可按下式计算：

图4 电缆连接岸上供电系统及其等效图

3 船舶岸电系统保护配置方案

3.1 无需对时的差动保护

电流差动保护具有绝对的选择性，其性能不受系统运行方式的影响，可以迅速切除和孤立故障区域。因此，针对传统电流保护和距离保护在岸电系统中选择性差、可靠性低的问题，电流差动保护应是高压船舶岸电系统线路保护的首选。

通常，输电线路线的对地电容电流和双端通信的对时问题成为影响差动保护速动性及动作阈值整定关键影响因素，给差动保护带来了不利的影响。但是高压船舶岸电系统由于电缆线路较短，因此将无需考虑以上两个因素的影响，为差动保护的使用带来便利。

1）差动保护基本原理

图5所示为线路电流差动保护区内、外短路示意图，当线路正常运行以及被保护线路外部（如K2）点短路时，按规定的电流正方向看，M侧电流为正，N侧电流为负，两侧电流大小相等、方向相反，即当线路内部短路（如K1点）时，流经线路两侧的故障电流均为正方向，且（为K1点短路电流）。利用被保护元件两侧电流和在区内短路与区外短路时一个是短路点电流很大，一个几乎为零，即构成电流差动保护。

图5 电流差动保护区内、外短路示意图

2）无需对时的差动保护

本保护方案基于基本的电流差动保护原理。考虑到高压船舶岸电系统电缆长度短，因此岸上线路差动保护可直接利用联络线传输双端电流信号，联络线安装于电缆内部，从而实现无需对时的差动保护。

由于电流互感器饱和、区外故障等原因造成的不平衡电流增大可能会导致非故障线路的差动保护误动作。为了进一步提高差动保护的可靠性，本保护方案引入故障确认机制。

根据基尔霍夫定律，当差动环内部任意区域短路故障时，流入差动环的电流相量和不为0，而当差动环外部区域故障时，流入差动环的电流相量和为0。因此，可利用差动环边界上所有电流互感器测得的电流相量和是否为0 来对区内、区外故障进行进一步确认区分。差动保护的确认机制示意图如图6 所示。

图6 差动保护跳闸确认机制

如图6所示，只有当本地保护和差动环同时判断区内发生故障时，保护才出口跳闸信号，以此大大提高差动保护的可靠性。

3.2 改进的电流保护

传统电流三段式保护会受到船舶电动机负载馈送电流的影响。馈送电流虽不如短路电流，但也比额定电流高出许多，因此当馈送电流流经非故障线路保护装置时，保护有可能误动，造成保护可靠性的降低。

为解决馈送电流引起的误动作，只需要在可能误动作的相应开关中安装功率方向元件，当流过该元件的电流为正常方向电流时，电流保护正常工作；当流过该元件的电流为反向电流时，则电流保护闭锁。以此提高电流保护的可靠性。

传统三段式电流保护选择性差，针对此问题，结合岸电系统电缆长度短、通信方便的特点，提出自下而上逐级判断的逻辑判断原则，即发生故障时，下级线路依次向上级线路提供保护动作信号。当下级保护动作出口，上级线路保护依次闭锁；当下级保护没有发出跳闸信号，则上级保护正常工作。这种自下而上逐级判断的逻辑判断原则一方面可以提高电流保护的选择性，另一方面也可以使上级保护成为下级保护的后备保护。改进的电流保护逻辑框图如图7 所示。

图7 改进的电流保护逻辑框图

3.3 船舶岸电系统保护配置方案

本文提出以无需对时的差动保护为主保护，改进的电流保护为后备保护的保护方案。保护方案流程图如图8 所示。

图8 船舶岸电系统保护方案

4 结语

岸电系统的继电保护方案对于岸电系统的实际运行与推广有着至关重要的意义。本文首先分析船舶电力系统的不同结构，分析不同船舶系统的故障特性。其次对船舶电力系统的电动机、变压器、电缆及船岸连接电缆继续建模，并对不同结构的船舶岸电系统进行短路计算，通过具体分析得出了船舶岸电系统短路电流计算结果。根据分析与比对，提出了针对船舶岸电系统的两种保护方案，分别是无需对时的差动保护与改进的电流保护。利用以上保护方案，提出了适用于船舶岸电系统的综合保护方案。