CN101895090A - 基于电容电流时域补偿的船舶电网接地漏电保护方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统技术领域的基于电容电流时域补偿的船舶电网接地漏电保护方法，包括以下步骤：在船舶电网的每个支路上安装一个跳闸回路，且在每个跳闸回路上安装一个电压互感器和电流互感器；每隔T时间对支路的跳闸回路进行一次电压检测和电流检测，得到每个跳闸回路处的零序电压瞬时值和零序电流瞬时值；得到每条支路的零序补偿电流瞬时值；得到每条支路的零序动作电流瞬时值；得到每条支路的零序动作电流幅值；当支路的零序动作电流幅值大于零序过流保护定值，则启动该支路跳闸回路，断开该支路的断路器。本发明用于检测船舶电网的漏电故障，能保证船舶电网漏电保护的选择性，有效提高船舶漏电保护的可靠性与灵敏度。

Description

基于电容电流时域补偿的船舶电网接地漏电保护方法

技术领域

本发明涉及的是一种电力系统技术领域的方法，具体是一种基于电容电流时域补偿的船舶电网接地漏电保护方法。

背景技术

船舶电网由于工作环境恶劣，潮湿、振荡与盐腐蚀等因素易造成电力设备的绝缘降低，从而引起漏电故障。而船舶由于空间的限制，船员经常与各用电设备接触，漏电故障会危及船员安全；对于大型油船或夜化天然气运输船，漏电故障更有可能引起火灾等安全事故。所以，船舶漏电保护对船员的人身安全、船舶电力系统的可靠性及安全性有极其重要作用。

随着船舶电力系统容量的增大，船舶漏电问题也越来越严重。由于船舶电力系统的环境与煤矿电力系统相似——工作环境恶劣，采用三相三线制、中性点不接地的供电方式，因此煤矿电力系统漏电保护方法对船舶电网漏电保护有很大的借鉴作用。由于非选择性的漏电保护无法不能满足供电可靠性要求，目前大多采用选择性漏电保护，一般采用零序电流型和零序功率方向型原理。

经对现有文献检索发现，中国专利申请号为：200910171177.7，名称为：一种中线不接地的三相漏电保护方法，该技术比较电网浮地中性点和参考节点(大地)之间的电压差，当两点之间的电压发生变化时，就认为电网发生漏电。该技术简单可靠，但没有选择性，无法判断故障所在支路。

又经检索发现，中国专利申请号为：200920088015.2，名称为：煤矿高压选择性漏电保护装置，该技术采用暂态分量和稳态分量综合方法，对于故障发生初的暂态阶段采用暂态电流方向方法，该方法是将电流相互点积的积分平均值来判断电流的方向，而故障处于稳态阶段采用导纳互差增量方法，该方法将故障馈出线和非故障馈出线的导纳进行互差求和来判断故障线路，然后将结果进行罗辑判断最终确定故障所在馈出线路。由于小电流接地系统发生单相接地时，漏电流及零序电流很小(特别是对地电容较小时)，该技术直接采用暂态阶段和稳态阶段的零序电流值进行计算，可能引起保护误动作和失去方向性。

经检索还发现，沈祥云，袁振海等在2004年《工矿自动化》上发表的“自然直流选择性漏电保护的研究”的文章，该技术将电网通过三相半桥整流电路以及检测电阻，与各支路相连形成回路，通过检测该回路中的检测电流判断故障情况，漏电支路检测电流大于非漏电分支检测电流，具有选择性。但该技术存在附加的人为接地点，对于安全性较高的大型船舶并不适合；于群等人在2004年的《煤矿机电》上发表的题为“基于电流补偿法的矿井高压电网漏电保护系统”的文章，该技术提出基于稳态电流补偿法的电网漏电保护方法，但该方法只适用于故障后的稳态期间，在故障初期的暂态过程中可能引起漏电保护的误动。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于电容电流时域补偿的船舶电网接地漏电保护方法。本发明采用了一种时域电容电流补偿方案，对零序电流进行补偿，能有效提高漏电保护的灵敏度与选择性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，在船舶电网的每个支路上安装一个跳闸回路，且在每个跳闸回路上安装一个电压互感器和电流互感器。

第二步，采用电压互感器和电流互感器，每隔T时间对支路的跳闸回路进行一次电压检测和电流检测，得到每个跳闸回路处的零序电压瞬时值和零序电流瞬时值。

第三步，根据每个跳闸回路处的零序电压瞬时值和零序电流瞬时值，得到每条支路的零序补偿电流瞬时值。

所述的零序补偿电流瞬时值，是：

$i_{\mathrm{cp}}\left(k\right)=[\frac{2C}{2T}+\frac{{\mathrm{RC}}^2}{T^2}+\frac{{\mathrm{LC}}^2}{T^3}]u\left(k\right)-[\frac{2R{C}^2}{T^2}+\frac{3{\mathrm{LC}}^2}{T^3}]u(k-T)+[\frac{{\mathrm{RC}}^2}{T^2}+\frac{3{\mathrm{LC}}^2}{T^3}-\frac{C}{T}]u(k-2T),$

$-\frac{{\mathrm{LC}}^2}{T^3}u(k-3T)-(\frac{\mathrm{RC}}{2T}+\frac{\mathrm{LC}}{T^2})i\left(k\right)+\frac{2\mathrm{LC}}{T^2}i(k-T)-(\frac{\mathrm{LC}}{T^2}-\frac{\mathrm{RC}}{2T})i(k-2T)$

其中：i_cp(k)是k时刻的零序补偿电流瞬时值，R是该支路的π型等效电路的零序电阻，L是该支路的π型等效电路的零序电感、C是该支路的π型等效电路的零序电容，u(k)是k时刻该支路的零序电压瞬时值，u(k-T)是k-T时刻该支路的零序电压瞬时值，u(k-2T)是k-2T时刻该支路的零序电压瞬时值，u(k-3T)是k-3T时刻该支路的零序电压瞬时值，i(k)是k时刻该支路的零序电流瞬时值，i(k-T)是k-T时刻该支路的零序电流瞬时值、i(k-2T)是k-2T时刻该支路的零序电流瞬时值。

第四步，根据i_op(k)＝i(k)-i_cp(k)，得到每条支路的零序动作电流瞬时值，其中：i_op(k)是k时刻支路的零序动作电流瞬时值，i_cp(k)是k时刻该支路的零序补偿电流瞬时值，i(k)是k时刻该支路的零序电流瞬时值。

第五步，采用全周傅氏方法，得到每条支路的零序动作电流幅值。

第六步，当支路的零序动作电流幅值大于零序过流保护定值I_set，则该支路发生漏电故障，启动该支路跳闸回路，断开该支路的断路器，电网故障被切除，电网其他部分恢复正常运行；否则，该支路没有发生漏电故障，不做处理。

所述的零序过流保护定值I_set，是：

其中：C_∑0为电网各条支路的对地电容之和；

为电网的相电压，ω为电网的角频率，K_rel是设定的不对称系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)时域补偿对支路分布电容的分散性并不敏感，无论支路分布电容大小，都能有很好的补偿效果。

2)电网在发生漏电故障时，及时切除故障支路、恢复电网其他部分的正常运行。

3)通过对检测到的零序电流进行时域补偿，不仅能降低反向故障时的动作值，还能提高正向故障时的动作值，与稳态补偿相比，时域补偿能更好的抑制故障后暂态过程、提高保护的灵敏度与可靠性。

4)所述方法除测量用零序电流互感器和零序电压互感器固有的接地点之外，没有其他人为接地点，提高了电网的安全性和可靠性。

5)该保护方法对故障发生后的暂态和稳态期间都适用，能有效提高保护的动作时间和可靠性。

附图说明

图1是分别采用实施例方法和现有技术得到的母线的零序动作电流幅值；

图2是分别采用实施例方法和现有技术得到的支路的零序动作电流幅值；

图3是分别采用实施例方法和现有技术得到的动作值随采样点的变化情况示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例的船舶电网是典型的辐射配电网，电源为6.6KV/500MVA，其中有三条支路(分别命名为N1、N2和N3)，三条支路的π型等效电路参数分别为：

N1支路：C1＝0.13834073μF；R1＝10.6279236Ω；L1＝0.1191635H；

N2支路：C2＝0.069170367μF；R2＝5.3139618Ω；L2＝0.05958177H；

N3支路：C3＝0.011528395μF；R3＝0.8856603Ω；L3＝0.00993029H。

本实施例包括以下步骤：

第一步，在船舶电网的每个支路上安装一个跳闸回路，且在每个跳闸回路上安装一个电压互感器和电流互感器。

第二步，采用电压互感器和电流互感器，每隔T(本实施例中T＝0.0005s)时间对支路的跳闸回路进行一次电压检测和电流检测，得到每个跳闸回路处的零序电压瞬时值和零序电流瞬时值。

以N3支路为例，得到的：

u(0.5s)＝-1908.07289V，

u(0.0495s)＝-2589.65594V，

u(0.0490s)＝-3205.76793V，

u(0.0485s)＝-3745.65988V，

i(0.5s)＝-0.578649622333333A，

i(0.4995s)＝-0.528732216333333A，

i(0.4990s)＝-0.466048210333333A，

其中：u(t)是t时刻N3支路的零序电压瞬时值，i(t)是t时刻N3支路的零序电流瞬时值。

第三步，根据每个跳闸回路处的零序电压瞬时值和零序电流瞬时值，得到每条支路的零序补偿电流瞬时值。所述的零序补偿电流瞬时值，是：

$i_{\mathrm{cp}}\left(k\right)=[\frac{2C}{2T}+\frac{{\mathrm{RC}}^2}{T^2}+\frac{{\mathrm{LC}}^2}{T^3}]u\left(k\right)-[\frac{2R{C}^2}{T^2}+\frac{3{\mathrm{LC}}^2}{T^3}]u(k-T)+[\frac{{\mathrm{RC}}^2}{T^2}+\frac{3{\mathrm{LC}}^2}{T^3}-\frac{C}{T}]u(k-2T),$

$-\frac{{\mathrm{LC}}^2}{T^3}u(k-3T)-(\frac{\mathrm{RC}}{2T}+\frac{\mathrm{LC}}{T^2})i\left(k\right)+\frac{2\mathrm{LC}}{T^2}i(k-T)-(\frac{\mathrm{LC}}{T^2}-\frac{\mathrm{RC}}{2T})i(k-2T)$

其中：i_cp(k)是k时刻的零序补偿电流瞬时值，R是该支路的π型等效电路的零序电阻，L是该支路的π型等效电路的零序电感、C是该支路的π型等效电路的零序电容，u(k)是k时刻该支路的零序电压瞬时值，u(k-T)是k-T时刻该支路的零序电压瞬时值，u(k-2T)是k-2T时刻该支路的零序电压瞬时值，u(k-3T)是k-3T时刻该支路的零序电压瞬时值，i(k)是k时刻该支路的零序电流瞬时值，i(k-T)是k-T时刻该支路的零序电流瞬时值，i(k-2T)是k-2T时刻该支路的零序电流瞬时值。

本实施例中N3支路0.5s时的零序补偿电流瞬时值是0.029915901693969 A。

第四步，根据i_op(k)＝i(k)-i_cp(k)，得到每条支路的零序动作电流瞬时值，其中：i_op(k)是k时刻支路的零序动作电流瞬时值，i_cp(k)是k时刻该支路的零序补偿电流瞬时值，i(k)是k时刻该支路的零序电流瞬时值。

本实施例中N3支路的零序电流瞬时值为-0.608565524027302 A。

第五步，采用全周傅氏方法，得到每条支路的零序动作电流幅值。

本实施例中N3支路的零序动作电流幅值是0.272757781769306 A。

第六步，当支路的零序动作电流幅值大于零序过流保护定值I_set，则该支路发生漏电故障，启动该支路跳闸回路，断开该支路的断路器，电网故障被切除，电网其他部分恢复正常运行；否则，该支路没有发生漏电故障，不做处理。

本实施例中所述的零序过流保护定值I_set，是：

其中：C_∑0为电网各条支路的对地电容之和；为电网的相电压，ω为电网的角频率，K_rel(本实施例中为0.1)是设定的不对称系数。

由于N3支路的零序动作电流幅值大于零序过流保护定值I_set，故N3支路发生漏电故障，启动该支路跳闸回路，断开该支路的断路器，电网故障被切除，电网其他部分恢复正常运行。

当电流从支路向母线流时，分别采用本实施例方法、现有技术中的零序过电流保护方法和现有技术中的稳态电容电流补偿的零序过电流保护方法，在不同的故障接地电阻下，母线发生漏电故障时，得到的母线的零序动作电流幅值，如图1所示。由该图可知：当母线发生漏电故障时，传统的零序过电流保护(不补偿)动作电流较大，容易引起漏电器的误动作，经稳态补偿后，虽然能使动作电流减小，但是减小的幅度较本发明方法(时域补偿法)小。所以应用本实施例方法后，船舶漏电保护具有更好的可靠性。

当电流从母线向支路流时，分别采用本实施例方法、现有技术中的零序过电流保护方法和现有技术中的稳态电容电流补偿的零序过电流保护方法，在不同的故障接地电阻下，N3支路发生漏电故障时，得到的N3支路的零序动作电流幅值，如图2所示。由该图可知：N3支路正方向故障时，稳态补偿与时域补偿皆能大幅提高继电器的动作值。这对于继电器的动作十分有利，有效提高继电器的灵敏度。

当电流从支路向母线流时，分别采用本实施例方法、现有技术中的零序过电流保护方法和现有技术中的稳态电容电流补偿的零序过电流保护方法，得到的动作值随采样点的变化情况，如图3所示。由该图可知：由于故障后暂态过程的影响，零序电流变化剧烈。稳态补偿后，由于补偿过程中并未计及暂态过程的影响，仍然存在两个波峰，易造成漏电继电器误动。

本实施例方法(时域补偿)可以将此暂态过程的电流波动很好补偿，使电流变化趋于平缓，能有效防止继电器的误动作，提高船舶电网漏电保护的可靠性。

Claims (4)

1.一种基于电容电流时域补偿的船舶电网接地漏电保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在船舶电网的每个支路上安装一个跳闸回路，且在每个跳闸回路上安装一个电压互感器和电流互感器；

第二步，采用电压互感器和电流互感器，每隔T时间对支路的跳闸回路进行一次电压检测和电流检测，得到每个跳闸回路处的零序电压瞬时值和零序电流瞬时值；

第三步，根据每个跳闸回路处的零序电压瞬时值和零序电流瞬时值，得到每条支路的零序补偿电流瞬时值；

第四步，根据i_op(k)＝i(k)-i_cp(k)，得到每条支路的零序动作电流瞬时值，其中：i_op(k)是k时刻支路的零序动作电流瞬时值，i_cp(k)是k时刻该支路的零序补偿电流瞬时值，i(k)是k时刻该支路的零序电流瞬时值；

第五步，采用全周傅氏方法，得到每条支路的零序动作电流幅值；

第六步，当支路的零序动作电流幅值大于零序过流保护定值I_set，则该支路发生漏电故障，启动该支路跳闸回路，断开该支路的断路器，电网故障被切除，电网其他部分恢复正常运行；否则，该支路没有发生漏电故障，不做处理。

2.根据权利要求1所述的基于电容电流时域补偿的船舶电网接地漏电保护方法，其特征是，第三步中所述的零序补偿电流瞬时值，是：

$i_{\mathrm{cp}}\left(k\right)=[\frac{2C}{2T}+\frac{{\mathrm{RC}}^2}{T^2}+\frac{{\mathrm{LC}}^2}{T^3}]u\left(k\right)-[\frac{2R{C}^2}{T^2}+\frac{3{\mathrm{LC}}^2}{T^3}]u(k-T)+[\frac{{\mathrm{RC}}^2}{T^2}+\frac{3{\mathrm{LC}}^2}{T^3}-\frac{C}{T}]u(k-2T),$

$-\frac{{\mathrm{LC}}^2}{T^3}u(k-3T)-(\frac{\mathrm{RC}}{2T}+\frac{\mathrm{LC}}{T^2})i\left(k\right)+\frac{2\mathrm{LC}}{T^2}i(k-T)-(\frac{\mathrm{LC}}{T^2}-\frac{\mathrm{RC}}{2T})i(k-2T)$

其中：i_cp(k)是k时刻的零序补偿电流瞬时值，R是该支路的π型等效电路的零序电阻，L是该支路的π型等效电路的零序电感，C是该支路的π型等效电路的零序电容，u(k)是k时刻该支路的零序电压瞬时值，u(k-T)是k-T时刻该支路的零序电压瞬时值，u(k-2T)是k-2T时刻该支路的零序电压瞬时值，u(k-3T)是k-3T时刻该支路的零序电压瞬时值，i(k)是k时刻该支路的零序电流瞬时值，i(k-T)是k-T时刻该支路的零序电流瞬时值，i(k-2T)是k-2T时刻该支路的零序电压瞬时值。

3.根据权利要求1所述的基于电容电流时域补偿的船舶电网接地漏电保护方法，其特征是，第六步中所述的零序过流保护定值I_set，是：

其中：C_∑0为电网各条支路的对地电容之和；

为电网的相电压，ω为电网的角频率，K_rel是设定的不对称系数。

4.根据权利要求3所述的基于电容电流时域补偿的船舶电网接地漏电保护方法，其特征是，所述的K_rel是0.1。

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