CN103457246B

CN103457246B - 中压直流供电的直流区域配电网络保护方法

Info

Publication number: CN103457246B
Application number: CN201310407670.0A
Authority: CN
Inventors: 范学鑫; 肖飞; 王瑞田; 杨国润; 谢帧; 揭贵生; 王恒利; 陆明科
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: CN103457246A

Abstract

本发明属于船舶电力系统保护领域，具体涉及一种中压直流供电的直流区域配电网络保护方法，解决现有保护方法无法实现选择性保护的难题。本发明通过DC/AC/DC变电模块和直流断路器的协调保护实现环形直流的选择性保护，在准确、快速切除短路故障的同时，避免直流断路器在母线上普遍应用所带来的经济、体积、重量等成本压力；通过变电模块和下级断路器的协调保护，实现低压交流配电网络及低压直流配电网络的选择性保护，将故障限制在本分区内，不影响上级直流母线，显著提高了船舶电力系统对日用负载的供电连续性。

Description

中压直流供电的直流区域配电网络保护方法

技术领域

本发明属于船舶电力系统领域，具体涉及一种适用于采用700V等级直流母线的直流区域配电网络的选择性保护的中压直流供电的直流区域配电网络保护方法。

背景技术

综合电力系统运用电力集成思想实现电能的统一调度，主要包括发电、配电、变电、推进、储能、监控/管理六个模块，是未来船舶电力系统的发展方向。由于在功率密度、体积重量、电磁兼容、振动噪声等方面的优势，中压直流将逐渐取代中压交流成为发电模块的标准形式。

对于配电模块，其主要任务是将电能从发电机输送到负载，合理分配电能，以保证全船电力负荷得到规定品质的电力供应。确保电网发生故障时，维持最大范围内的供电连续性；在各种紧急状态下，向保证船舶安全所需要的重要电气设备供电。区域配电采用模块化建造思想，按功能、位置等因素将全船日用负荷划分至相对独立的区域，各区域由贯穿全船的低压配电母线统一供电，区域内部不同电制的交流、直流日用负荷独立组网。与传统辐射状配电网络相比，区域配电网络具有供电生命力强的突出优点，并且可以减少电缆用量，减少电缆穿舱孔数量和面积，缩短电缆敷设时间，降低配电系统尺寸、重量。

根据低压配电母线电制的不同，区域配电可以分为交流区域配电和直流区域配电。交流区域配电已在船舶领域取得一定应用。而直流区域配电可以进一步降低未来船舶的采购和运行、维护费用，具有供电连续性好、潮流调配灵活、便于制造等优势，应用前景广泛。为了保证直流区域配电网络的稳定运行，必须进行完善的保护设计。船舶日用负载根据电压等级和电制可以分为低压交流网络和低压直流网络，因此，直流区域配电网络可以分为环形直流母线、低压交流网络以及低压直流网络三个部分。

传统辐射状配电网络基于时间电流原则配置断路器实现电力系统的选择性保护，而直流区域配电网络直流母线具有典型的环网结构，时间电流原则不再适用；直流系统短路电流没有自然过零点，考虑到船上舱室空间非常有限，以及高温、高湿、盐雾、倾斜摇摆、冲击振动等恶劣的工作环境，大容量、高可靠性直流断路器在网络中的普遍应用将严重增加系统在经济成本、体积、重量等方面的负担。

对于低压交流网络和低压直流网络的保护，传统配电网络一般由发电机供电，采用时间电流原则整定断路器以实现协调保护，而直流区域配电系统中低压网络由电力电子装置供电，电力电子装置的工作特性与发电机有着本质不同，考虑装置成本、体积、重量等因素，在有限的设计裕量下，其输出过电流能力仅为额定电流2～3倍，可能无法为下级断路器提供足够的短路电流以切除短路，进而导致全网失电。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供了一种中压直流供电的直流区域配电网络保护方法，准确、快速切除短路故障，避免直流断路器在母线上普遍应用所带来的经济、体积、重量等成本压力，提高船舶电力系统对日用负载的供电连续性。

本发明提供了一种一种中压直流供电的直流区域配电网络保护方法，包括以下步骤：

第一步，设置DC/AC/DC变电模块短路限流参数及直流断路器保护整定值，实现直流母线的协调保护。直流母线通过直流断路器向各区域供电，不同区域的直流母线通过隔离开关联结成环形网络。为直流母线供电的DC/AC/DC变电模块具有短路限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为母线上直流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间。根据DC/AC/DC变电模块各支路额定电流及电压确定直流母线上直流断路器选型，尽量选择分断时间短、可靠性高的船用断路器。根据型式试验或例行试验结果，得到直流母线上直流断路器分断短路电流的动作时间，该动作时间是从操作电源送入跳闸线圈的瞬间算起，直到电弧熄灭的时间为止，设置母线上直流断路器的瞬时动作，动作电流取额定值I_e的4～7倍；

第二步，确定各配电分区内DC/AC/DC变电模块故障限流输出特性，DC/AC/DC变电模块故障限流时恒流输出持续时间应大于各母线上直流断路器的动作时间，DC/AC/DC变电模块输出短路限流值应大于各母线上直流断路器的动作电流，取为变流模块额定电流值的2倍；

第三步，设置各配电分区内DC/AC变电模块短路限流参数及下级交流断路器保护整定值，实现低压交流网络的协调保护，根据DC/AC变电模块各支路额定电流及电压确定所在配电分区内低压交流配电网络中交流断路器选型；

第四步，确定DC/AC变电模块故障限流输出特性，保证DC/AC变电模块故障限流时恒流输出持续时间大于下级断路器的短路短延时整定时间的最大值和下级欠压保护延时时间的最大值，保证DC/AC变电模块输出短路限流值大于下级断路器中短路保护动作电流的最大值；如果DC/AC变电模块下级保护装置中包含熔断器，选择熔断器时必须综合考虑DC/AC变电模块输出短路限流值和DC/AC变电模块故障限流时恒流输出持续时间的大小，以保证熔断器正确动作；

第五步，设置DC/DC变电模块短路限流参数及下级直流断路器保护整定值，根据DC/DC变电模块各支路额定电流及电压确定低压直流配电网络中直流断路器选型，实现低压直流网络的协调保护；

第六步，确定DC/DC变电模块故障限流输出特性，保证DC/DC变电模块故障限流时恒流输出持续时间大于下级断路器的短路短延时整定时间的最大值；保证DC/DC变电模块输出短路限流值大于下级断路器中短路保护动作电流的最大值。

所述DC/AC/DC变电模块具有短路限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为母线上直流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间。

所述DC/AC变电模块具有短路限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为下级交流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间。

所述DC/DC变电模块具有短路限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为下级直流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间。

本发明利用具有短路限流功能的DC/AC/DC变电模块将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为母线上直流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间，通过合理配置DC变电模块短路限流参数及直流断路器保护整定值实现环形直流的选择性保护，在准确、快速切除短路故障的同时，避免直流断路器在母线上普遍应用所带来的经济、体积、重量等成本压力。本发明利用具有短路限流功能的DC/AC变电模块和DC/DC变电模块将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，分别为下级交流断路器和下级直流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间，通过合理配置DC/AC变电模块短路限流参数及下级交流断路器保护整定值实现低压交流网络的协调保护，通过合理配置DC/DC变电模块短路限流参数及下级直流断路器保护整定值实现低压直流网络的协调保护。本发明实现了低压交流配电网络及低压直流配电网络的选择性保护，将故障限制在本分区内，不影响上级直流母线，显著提高了船舶电力系统对日用负载的供电连续性。

附图说明

图1是中压直流供电的直流区域配电网络结构示意图；

图2是典型直流区域配电网络单线图；

图3是具备故障限流功能的变电模块的输出特性；

图4是具备故障限流功能的变电模块的工作模式转换图。

具体实施方式

下面集合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

本发明提供了一种中压直流供电的直流区域配电网络保护方法，包括以下步骤：

第一步，设置DC/AC/DC变电模块短路限流参数及直流断路器保护整定值，实现直流母线的协调保护，根据DC/AC/DC变电模块各支路额定电流及电压等参数确定直流母线上直流断路器选型，根据型式试验或例行试验结果，得到直流母线上直流断路器分断短路电流的动作时间(即从操作电源送入跳闸线圈的瞬间算起，直到电弧熄灭的时间为止)，设置母线上直流断路器瞬时动作，其动作电流取所在支路电流额定值的4～7倍；

第二步，确定各配电分区内DC/AC/DC变电模块故障限流输出特性，DC/AC/DC变电模块故障限流时恒流输出持续时间应大于各母线上直流断路器的动作时间，DC/AC/DC变电模块输出短路限流值应大于各母线上直流断路器的动作电流；

第三步，设置各配电分区内DC/AC变电模块短路限流参数及下级交流断路器保护整定值，实现低压交流网络的协调保护，根据DC/AC变电模块各支路额定电流及电压等参数确定所在配电分区内低压交流配电网络中交流断路器选型；

第五步，设置DC/DC变电模块短路限流参数及下级直流断路器保护整定值，根据DC/DC变电模块各支路额定电流及电压等参数确定低压直流配电网络中直流断路器选型，实现低压直流网络的协调保护；

上述技术方案中，所述DC/AC/DC变电模块具有短路限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为母线上直流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间。

上述技术方案中，所述DC/AC变电模块具有短路限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为下级交流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间。

上述技术方案中，所述DC/DC变电模块具有短路限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为下级直流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间。

针对中压直流供电的直流区域配电网络的保护，本发明从环形直流母线、低压交流网络以及低压直流网络三个部分依次实施。以下结合附图对本发明作进一步的叙述。

图2是典型直流区域配电网络单线图，采用700V直流母线。DC/AC/DC变电模块将直流4000V降压至直流700V，船上前后电站各布置一台，通过直流开关向左舷或右舷直流母排供电。每个配电分区左右舷各配置1个舷侧开关柜(K1～K4)与700V直流母排连接。每台舷侧开关柜中有多个跨接开关或断路器。其中，Q11～Q22为舷侧跨接开关，可以远程控制其打开或闭合，正常工况下不进行带载分断动作；Q23～Q30为直流断路器，可以将区域内的故障与700V母线隔离。区域1内，DC/AC变电模块将直流700V变换为三相交流400V/50Hz，向低压交流网络供电，交流日用负载分两级布置，包括电动机及阻感性负载，具有典型的辐射状配电结构；DC/DC变电模块将直流700V变换为直流230V，向低压直流网络供电，直流日用负载分两级布置，同样具有典型的辐射状配电结构。

在正常工况下，变电模块工作在恒压状态，相当于一个恒压源；当变电模块检测到输出发生短路故障时，立即自动切换至恒流状态，将短路电流限制在固定值I_sp，并维持一段时间T_s，为故障支路的断路器提供充分的短路电流和动作时间，相当于一个电流源。具备故障限流功能的变电模块的输出特性如图3所示，其工作模式转换过程如图4所示。

典型直流区域配电网络的保护方法包括以下步骤：

第一步，设置DC/AC/DC变电模块短路限流参数及直流断路器保护整定值，实现直流母线的协调保护，根据DC/AC/DC变电模块各支路额定电流及电压等参数确定直流母线上直流断路器选型，尽量选择分断时间短、可靠性高的船用断路器，根据型式试验或例行试验结果，得到直流母线上直流断路器分断短路电流的动作时间(即从操作电源送入跳闸线圈的瞬间算起，直到电弧熄灭的时间为止)，记为T_Q23～T_Q30，设置母线上直流断路器Q₂₃～Q₃₀瞬时动作，动作电流I_Q23op～I_Q30op取额定值Ie的4～7倍，具体实施例中取5。实例中直流母线直流断路器保护整定如表1所示；

表1直流母线上直流断路器保护整定

第二步，确定DC/AC/DC变电模块故障限流输出特性，DC/AC/DC变电模块故障限流时恒流输出持续时间Ts1应大于母线上直流断路器Q23～Q30的动作时间T_Q23～T_Q30，即T_s1≥max(T_Q23～T_Q30)，具体实施例中取T_s1＝50ms；DC/AC/DC变电模块输出短路限流值I_sp1应大于Q23～Q30动作电流，即I_sp1≥max(I_Q23op～I_Q30op)，取I_sp1＝2I_N1，I_N1为变流模块额定电流值。

第三步，设置DC/AC变电模块短路限流参数及下级交流断路器保护整定值，实现低压交流网络的协调保护，根据DC/AC变电模块各支路额定电流及电压等参数确定低压交流配电网络中交流断路器Q6～Q10选型，设交流断路器Q6～Q10的动作时间分别为T_Q6～T_Q10，Q8短延时应为

Δt₈＝1.2～1.5*max(T_Q9,T_Q10)

式中，常数1.2～1.5为可靠系数，考虑到交流断路器动作时间不仅与断路器本体有关，还与工作环境、负载特性等相关，因根据较恶劣情况的动作时间设置Δt₈。记电动机支路Q7、Q10欠压保护延时时间Δt_u7、Δt_u10，即

Δt_u7＝Δt_u10≥1.2～1.5*(T_Q8+Δt₈)；

具体实施例中取Δt_u7＝Δt_u10＝200ms；

Q7、Q10的瞬动电流整定值为

I_Q7op＝I_Q10op＝1.2～1.5*k_st*I_M

式中，k_st为电动机M2起动电流倍数，具体实施例中取7，I_M为M2的额定电流；

Q8的短路动作电流整定值为

I_Q8op＝1.1*(I_e+1.35*k_st*I_M)

式中，I_e为Q8支路的额定电流，k_st为电动机M2起动电流倍数，具体实施例中取7，I_M为电动机M2的额定电流；

Q6、Q9的短路动作电流整定值I_Q6op、I_Q9op设定为所在支路额定电流的三倍即3I_e，I_e为所在支路的额定电流；各支路过载保护根据实际要求确定，实例中长延时延时时间整定值设置为60s，动作电流整定为1.25I_e。实例中低压交流配电网络中交流断路器保护整定如表2所示：

表2低压交流配电网络中交流断路器保护整定

第四步，确定DC/AC变电模块故障限流输出特性，保证DC/AC变电模块故障限流时恒流输出持续时间T_s2大于下级断路器的短路短延时整定时间的最大值和下级欠压保护延时时间的最大值，即T_s2≥max(Δt_u7,Δt_u10)≥1.2～1.5*(T_Q8+Δt₈)，具体实施例中取T_s2＝500ms；保证DC/AC变电模块输出短路限流值I_sp2大于下级断路器中短路保护动作电流的最大值，即I_SP2≥max(IQ_6op～IQ_10op)，具体实施例中取I_sp2＝2I_N2，I_N2为DC/AC变流模块额定电流值；

如果DC/AC变电模块下级保护装置中包含熔断器，选择熔断器时必须综合考虑I_sp2和T_s2的大小，以保证熔断器正确动作；

第五步，设置DC/DC变电模块短路限流参数及下级直流断路器保护整定值，实现低压直流网络的协调保护，根据DC/DC变电模块各支路额定电流及电压等参数确定低压直流配电网络中直流断路器Q1～Q5选型，设直流断路器Q1～Q5的动作时间分别为T_Q1～T_Q5。为了满足断路器Q4、Q5的选择性保护，Q3短延时应为

Δt₃＝1.2～1.5*max(T_Q4,T_Q5)

其中，常数1.2～1.5为可靠系数；

Q1～Q5的短路动作电流整定值I_Q1op～I_Q5op设定为所在支路额定电流的三倍即3I_e，I_e为所在支路的额定电流。各支路过载保护根据实际要求确定，实例中长延时延时时间整定值设置为60s，动作电流整定为1.25I_e。具体实施例中低压直流配电网络中直流断路器保护整定如表3所示：

表3低压直流配电网络中直流断路器保护整定

第六步，确定DC/DC变电模块故障限流输出特性，保证DC/DC变电模块故障限流时恒流输出持续时间T_s3大于下级断路器的短路短延时整定时间的最大值，即T_s3≥1.2～1.5*(T_Q3+Δt₃)；保证DC/DC变电模块输出短路限流值I_sp3大于下级断路器中短路保护动作电流的最大值，即I_SP3≥max(I_Q1op～I_Q5op)，取Isp3＝2I_N3，I_N3为DC/DC变流模块额定电流值。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种中压直流供电的直流区域配电网络保护方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，设置DC/AC/DC变电模块短路限流参数及直流断路器保护整定值，实现直流母线的协调保护，根据DC/AC/DC变电模块各支路额定电流及电压确定直流母线上直流断路器选型，根据型式试验或例行试验结果，得到直流母线上直流断路器分断短路电流的动作时间，该动作时间是从操作电源送入跳闸线圈的瞬间算起，直到电弧熄灭的时间为止，设置母线上直流断路器瞬时动作，其动作电流取所在支路电流额定值的4～7倍；

2.根据权利要求1所述的中压直流供电的直流区域配电网络保护方法，其特征在于DC/AC/DC变电模块具有短路限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为母线上直流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间。

3.根据权利要求1所述的中压直流供电的直流区域配电网络保护方法，其特征在于DC/AC变电模块具有短路限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为下级交流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间。

4.根据权利要求1所述的中压直流供电的直流区域配电网络保护方法，其特征在于DC/DC变电模块具有短路限流功能，能够将输出短路电流限制在一定范围并维持一段时间，为下级直流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间。