船舶电网单相接地故障选线方法研究综述*

王孔贤 邵 英 王黎明 周 航

（海军工程大学电气工程学院 武汉 430033）

1 引言

船舶综合电力系统始于20世纪90年代中期，是我国船舶发展的重要组成部分，它是指通过电力网络将发电、日常用电、探测供电综合为一体的电力系统，从而实现了发电、配电与电力推进用电及其它设备用电统一调度和集中控制，有利于实现对全船能量的精确高效控制，提高船舶系统效率，是未来船舶发展的重要趋势，在军事方面，综合电力系统的应用可以显著提高舰船隐身性、机动性、操控性和续航力，极大提高了舰船的战斗力。

船舶综合电力系统由发电、输配电、变电、推进、储能、监控/管理6个模块组成，结构如图1所示，其中输配电模块由电缆、母线、断路器和保护装置组成，负责将电能传送到用电设备，变电模块根据用电设备的电能需求实现电制、电压和频率的变换，给日用设备和通信导航设备供电，输配电模块和变电模块共同构成了船舶电网［1～2］，它是由船用电缆、导线和配电装置通过特定的连接组成的整体，发电机组所产生的电能就是通过船舶电网输送到各个用电设备，所以保证船舶电网的安全、稳定、可靠运行，在其发生接地故障后能够快速精准的选线定位故障线路有着极其重要的意义。

图1 船舶综合电力系统结构组成

船舶电网和陆地电网的对比情况见表1，从中可以看出船舶电网相较于陆地电网结构更复杂、运行工况更多样、各电气设备间距离更近、所处的环境更恶劣。根据以往的电力系统故障数据统计，无论是在船舶电网故障中还是陆地电网故障中，占所发生故障的比例超过半数的均为单相接地故障。单相接地故障发生后，如果没有及时被诊断定位，将会破坏电气设备的绝缘性，产生较大的冲击电流，危害整个电力系统的正常稳定运行［3］，因此对船舶电网的单相接地故障进行快速精准的选线定位有着重大的意义。

表1 船舶电网和陆地电网的对比情况

2 船舶电网的接地方式

船舶电网采用不同的接地方式会表现出不同的单相接地故障特征，对供电连续性和设备人员安全性也会造成不同的影响，为了使得单相接地故障影响最小，将其危害限制到最低程度，必须改变船舶电网的接地方式。如今随着船舶执行的任务越来越复杂，越来越艰巨，船用的负载功率也随之提升，对船舶电力系统的容量有了更高的要求，原来广泛使用的低压电力系统不再完全适合，船舶电力系统的电压等级［4］正由低压380V提高到中压6.6kV或11kV，但是电压的提高会对用电设备的绝缘等相关性能有着更高的要求，因此分析比较现有的接地方式，选择适用于船舶中压电力系统的中性点接地方式有着重要意义。

2.1 接地方式分类及其特点

电力系统中发电机和变压器星形接线的公共点称为中性点，而所谓接地，就是利用装置把电力设备的一部分与“大地”连接起来。中性点接地方式通常分为两大类，即小电流接地方式和大电流接地方式两种［5～7］，大电流接地方式也叫中性点有效接地方式，在故障发生时通过短路回路增大接地故障电流，进而实现自动切断断路器等保护装置断开故障点负荷，保护整个电路的安全。小电流接地方式也叫中性点非有效接地方式，故障发生后不会产生较大的故障电流，不需要立即切断故障点负荷，具体分类及特点见表2。

表2 接地方式分类及特点

从表2中分析出，大电流接地方式的优点主要体现在继电保护选择性上，但大电流接地方式在发生单相接地故障时，电流巨大，严重威胁设备和操作人员的安全，还会导致系统的供电连续性较差，而对于小电流接地系统，单相接地故障发生后，接地故障电流较小，通常不超过10 A，接地电阻通常不超过4Ω，所以电压最大值不会超过40V，不易发生人身触电伤亡事，保证了设备和人员的安全性且较小的故障电流使系统仍然可以运行一定时间，具有较好的供电可靠性。

2.2 船舶电网接地方式选择

对船舶电网中性点接地方式的选择需要考虑从以下各个角度来考虑［8］：

1）发生单相接地故障时，能较好地保证船舶电网的供电连续性；

2）发生单相接地故障时，能够有效抑制电网可能出现的各种过电压；

3）接地方式应尽量避免接地故障时对其他电气设备产生影响；

4）不降低继电保护的灵敏性和故障快速切断的可靠性；

5）接地设备应尽量精简易安装，便于操作使用，降低投入成本。

由于船舶一般工作在比较恶劣的特殊环境中，所以供电连续性和设备安全性是需要重点考虑的指标，而小电流接地系统能够很好地满足这一要求，表3列出了国内外典型船舶电力系统的额定电压和接地方式［9］。

表3 国内外典型船舶的额定电压和接地方式

从表3可以看出无论是国内还是国外，对于低压船舶电网普遍采用中性点不接地，对于中压船舶电网普遍采用中性点高电阻接地。而对于中性点谐振接地方式，由于船舶电网的运行方式和网络结构会经常随着船舶的工况改变而改变，拓扑结构因此频繁发生重构，网络参数也会跟着变化，但消弧线圈的补偿是一个较慢的过程，其补偿度不能立即动作发生改变，由此其抑制过电压的作用可能失效，同时还会可能出现消弧线圈与电网对地电容发生谐振的情况［10］且经消弧线圈接地的投资成本也比其他方式高，因此船舶电网普遍采用的是中性点不接地方式或者中性点高电阻接地方式。

3 船舶电网单相接地故障诊断

虽然小电流接地系统可以在一定程度上降低单相接地故障的危害，提高了船舶电网的安全性和可靠性，但是船舶电网的结构大多采用三相三线制，在发生单相接地故障后，非故障相的对地相电压会升高，破坏电气设备和电缆的绝缘性，甚至可能进一步发展成两点或多点故障，因而需要快速准确地确定故障线路，进而排除故障。

3.1 单相接地故障特征

为了准确地实现故障的选线定位，对单相接地故障时线路中会出现的故障特征进行分析，如图2为船舶电网中性点高阻接地系统单相接地故障示意图。

图2 船舶电网中性点高阻接地系统单相接地故障示意图

由图2可知，短路点的电流流过故障线路对地电容、非故障线路对地电容、中性点接地电阻后汇合到短路点，由此分析可知流经非故障线的电流大小和中性点电阻的电流大小之和即为流过故障线的电流大小，故障线路的电流的方向为流向母线，其他的非故障线路电流方向则与之相反，为流出母线，流向线路［8］，由此可以总结出单相接地故障的两点特征：

1）单相接地故障发生在馈线上时，非故障线路与故障线路上的零序电流极性相反，且故障线路的暂态零序电流幅值大于所有非故障线路的暂态零序电流幅值，单相接地故障发生在母线上时，在所有出线上的零序电流的极性相同，都是至母线流出，流向各条馈线；

2）母线零序电压滞后非故障线路的电流方向90°，对于不接地系统，母线零序电压超前故障线路的电流方向90°，对于经电阻接地的系统，母线零序电压超前故障线路的电流方向一个锐角度。

基于以上特点许多利用故障线路零序电流和非故障线路零序电流的幅值、相位差异的选线方法被广泛使用在陆地电网中，如零序电流比幅法、零序电流比相法、能量函数法和谐波分量法等，上述这几种是基于故障线路的零序电流的稳态量进行选线，除此以外还有基于零序电流的暂态量进行选线的方法，如首半波法、特征频带法、基于小波分析的选线方法等。陆地电网针对小电流接地系统的选线原理进行了许多的相关研究，但目前已有的研究中暂无任何一种选线原理可以完全在所有类型的小电流接地系统中适用［8］，而船舶电网的实际情况与陆地电网又存在差异，比如存在零序电流幅值特征不明显、输电线路短等问题，因此，将陆地电网的选线原理运用到船舶电网中需要作进一步的分析。

3.2 船舶电网接地故障选线方法

近些年来船舶电网的接地故障选线技术随着船舶电力系统的发展而逐渐得到关注，国外的学者在这方面的取得的进展要快于国内。2005年，Douglas等［12］首次提出将小波分析用于不接地的船舶电力系统的接地故障诊断，并使用PSPICE搭建仿真模型和db小波进行小波变换实现了故障检测。2008年，Yan等［13］针对高阻接地的船舶直流区域配电系统提出了一种利用电力电子转换器开关动作产生的噪声来进行接地故障定位的方法，不同的故障位置与不同的噪声模式相关联，利用小波多分辨率分析和分形维数分析来处理噪声信号提取特征完成故障定位。2009年，Yan等［14～15］又将这一方法成功应用于不接地的船舶直流区域配电系统，并通过硬件实验室测试证明了该方法的可行性。2017年，Ford等［16］在Yan的基础上将利用电力电子转换器开关动作产生的噪声来进行接地故障定位的方法应用于中压直流船舶电力系统的接地故障诊断中。

随着人工智能技术的飞速发展，船舶电网的接地故障诊断技术渐渐也与其相结合趋向于智能化，2006年，Momoh等［17］针对美国海军IPS提出一种新型电弧故障建模方法以及基于ANN的故障检测技术；2011年，Chanda等［18］提出了一种基于ANN的中压直流船舶电力系统输电线接地故障分类和定位方法；2014年，Li等［19］提出了一种将小波多分辨率分析技术与人工神经网络相结合的中压直流船舶电力系统接地故障检测和分类方法；2021年，Jacob等［20］利用图卷积神经网络解决了船舶电网的接地故障的检测和分类问题，将船舶电力系统的动态模型与网络当前拓扑提取的测量值作为网络输入，通过训练测试证明该模型能够以99%的准确度检测接地故障的位置和类型。

相较于国外的研究，我国在船舶电网的接地故障诊断方面的研究起步较晚。很多船舶的接地故障选线方法还停留在人工操作的层次上，典型的就是“地气灯”，即在船舶的总配电盘和照明系统的分配电盘上安装监视装置，如图3所示，根据三个灯的明暗程度进行故障线路选择，这种选线速度较慢，选线过程复杂，操作较为繁琐。

图3 “地气灯”示意图

针对上述人工选线方法的不足，国内学者从单相接地故障的特征出发提出了多种选线方法。2005年，杨锋等针对注入双频法在船舶电网接地电阻很小甚至金属直接接地时会发生误判的问题［21］，利用零序电流特征改进综合判据，在高阻接地时应用双频法选线原理，近似金属接地时采用零序电流幅值相位判据，选线准确度得到提高。同年庄劲武等提出了一种在接地电流较大时利用基于饱和深度的幅值比较法来实现故障支路定位的方法［22］，该方法成功应用于船舶电网的接地故障定位中。

受到Douglas的启发，国内也将小波变换应用于船舶电网的接地故障诊断中，并且不断创新。2012年，鲍秀昌等利用小波分析和小波包能量熵方法，对船舶电网接地故障暂态信号进行了分析和特征信息提取，结果表明两种方法都有效地提取了故障特征信息，其中小波包能量熵方法提取的特征向量与故障之间是一种非线性的映射关系［23］，适用于与其他智能故障诊断方法相结合。2013年，王宏亮等［24～25］对输电线单相接地故障产生的故障行波进行小波变换，分析各线路小波变换后的模极大值，完成故障选线。2015年，陈双等［26］利用零序电流的高频分量作为选线参考依据，基于小波变换模极大值奇异性检测理论建立了船舶电网单相接地故障选线判据，能保证快速准确地选出故障线路。

单一的选线原理并不能够实现完全适应所有类型的小电流接地系统，所以将智能分类融合技术应用于船舶电网的接地故障诊断中将提高选线的准确性。2020年，宋亚伟等［27］借鉴在陆地电网上已经应用成熟的基于模糊理论的综合选线方法，结合船舶中压电网中性点高阻接地的接地方式的绝缘故障特性，将零序电流比幅法、小波分析法和信号注入法融合，进一步提高了选线的精度，流程图如图4所示。多判据融合可以充分利用判据选线性能上的互补性，极大提高选线方法的准确性和适用性，是未来船舶电网接地故障选线技术发展的方向。

图4 船舶中压电网模糊综合选线方法流程

以上所提的方法中，无论是小波变换还是多判据融合都是通过理论分析，然后在仿真中进行验证其可行性，还未真正应用于工程实践，真正用于工程中的是双频注入法［21］和单频注入法［28］，2021年，姜帅全等针对单相接地短路故障在船舶交流电网中频发的情况，设计了一种基于单频注入法原理的，可以实现船舶电网智能绝缘监测与故障定位功能的系统，其将UCOS-III系统移植到STM32单片机中，通过将各支路的低频电压、电流检测提取出来然后计算二者的相位差从而完成在线监测和定位［29］，该系统可以实现对船舶电网的绝缘状态进行实时监测，实现绝缘电阻的测量、绝缘预警、绝缘报警、故障定位和数据记录等功能。

许多的中性点接地系统都可以利用注入法这一选线原理，该方法的优点在于能够规避掉采用小波分析处理零序分量选线时会出现的诸多问题［8］，然而在实际的现场环境中，利用注入法设计的选线装置的选线效果并不理想，原因在于船舶电网系统中产生的谐波分量会干扰注入信号，造成信号不易检测，同时注入法也需要安装额外的检测装置，造成成本的增加。

随着故障录波装置在船舶电网上的配置，船舶电网的接地故障诊断将会有着新的发展。在船舶电网发生故障时，故障录波装置能够通过判断突变量实现自动启动，在故障发生后的一段时间内对故障过程中的一些关键参量进行完整的记录，例如电压、电流、开关量、高频信号等，这为分析故障原因提供了准确科学的依据，也为接地故障诊断提供了可靠的数据源，但是国内关于这方面的研究基本是空白的，针对故障录波装置开发故障诊断分析仪有着重要意义。

4 结语

船舶电网单相接地故障选线对保证电网安全可靠运行，提高船舶的生命力有着重要意义，本文从现有船舶接地方式、船舶电网接地故障特征、国内外接地故障选线方法三个方面出发，详细分析总结了船舶电网单相接地故障选线技术的发展现状，目前国内船舶电网的接地故障选线技术还有很大的发展空间，仍然需进行大量深入的研究和工程实践，今后的研究重点可以集中在以下四个方面：

1）陆地电网的小电流接地系统选线技术已经经过了许多年的发展，研究出了多种成熟有效的选线方法，将这些选线方法成功运用到船舶电网中具有重要的研究价值；

2）单一的选线原理并不能够实现完全适应所有类型的小电流接地系统，所以可以利用智能算法将多种选线方法融合，使各个选线方法互补，提高选线方法的准确性和适用性；

3）现有大多数接地故障选线技术还都是通过理论分析，然后在仿真中进行验证其可行性，将其真正应用于工程实践中还存在很大的难点；

4）故障录波装置已经逐渐在船舶电网上配置，它可以在电力系统发生故障时自动启动对系统如电压、电流、开关量、高频信号等关键参量进行记录，可以在此基础上结合信号处理、智能算法开发故障诊断分析仪实时分析监测船舶电网。