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1、第 3 2卷 第 4期 2 0 1 0年 4月 舰船科学技术 S HI P S CI ENCE AND TECHNOL OGY Vo 1 3 2，No 4 Ap r，2 01 0 短路限流对综合电力系统继电保护特性的影响 谢 桢，叶 志浩，纪峰，方 明(海军工程大学 舰船综合电力技术国防科技重点实验 室，湖北 武汉 4 3 0 0 3 3)摘 要：分析了综合电力系统特殊运行特性对基于传统时间电流原则设计的继电保护方案的不利影响。针 对这些不利影响，提出了通 过设 置限流器限制短路电流来增 强传统继 电保护方案 的选择性。为 了验 证该方法 的可行 性，以双机并 网运行 的综合 电力 系统 电力
2、 网络为研究 主体，建立 了基 于 电磁暂 态分析仿真 平台P S C A D E MT D C 的含 限 流器仿真模型的仿真电路，并选取输电网若干典型故障点进行了短路电流仿真计算和分析。算例结果证明了该方法 的有效性。关键 词：综合 电力 系统；继 电保 护；故 障 电流 限制 器；仿 真 中图分 类号：T M7 7 文献 标识 码：A 文章 编号：1 6 7 27 6 4 9(2 0 1 0)0 4 0 0 3 5 0 5 DOI：1 0 3 4 0 4 j i s s n 1 6 7 2 7 6 4 9 2 0 1 0 0 4 0 0 9 Th e i m p a c t o n r e
3、 l a y p r o t e c t i o n o f i nt e g r a t e d p o we r s y s t e m us i n g f a ul t c ur r e nt l i m i t e r XI E Zh e n，YE Zh i h a o，J I Fe ng，FANG Mi n g (N a t i o n l K e y L a b o r a t o r y f o r V e s s e l I n t e g r a t e d P o w e r S y s t e m T e c h n o l o g y，N a v a l U n i
4、v e r s i t y o f E n g i n e e ri n g，Wu h a n 4 3 0 0 3 3，C h i n a)Abs t r a c t：Th e d i s a d v a n t a g e s o f t h e t i me c u r r e n t v a l u e prin c i p l e a r e e x p o s e d b e c a u s e o f t h e s p e c i a l r u n n i n g c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e i n t e g r a t e
5、d p o w e r s y s t e m(I P S)A i mi n g a t i t，a r e l a y p r o t e c t i o n m e t h o d h a s b e e n p ut f o r wa r d wh i c h us e t h e FL C t o i mp r o v e t he s e l e c t i v i t y T o v e f y t h e f e a s i b i l i t y，i t i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r t o c o n s i d e r
6、t h e t w o g e n e r a t o r p a r a l l e l run n i n g I P S a s t h e m a i n o b j e c t a n d b u i l d a s i m u l a t i o n c i r c u i t i n c l u d i n g t h e FCL s i mu l a t i o n mo d u l e b a s e d o n t h e e l e c t r o ma g n e t i s m t r a n s i e n t a n a l y z e t o o l P SCA
7、D EMTDC，t h e n c h o o s e s e v e r a l t y p i c a l f a u l t for c a l c u l a t i n g a n d a n a l y z i n g Th e c o r r e c t n e s s o f t h e me t h o d h a s b e e n v a l i d a t e d Ke y wo r d s：I P S；r e l a y p r o t e c t i o n；FCL；s i mu l a t i o n 0 引 言 综合电力系统(I P S)是在 现代船 舶全 电力
8、推进 基础上提出的一种将船舶供 电与推进用电，以及其他 设 备用 电集 成，从 而 实 现发 电、配 电与 电 力 推进 用 电 及其他设备用 电统 一调度和集 中控制 的系统。其优越性体现为简化了整体动力系统结构，易于进行 能量分配，从而有利于优化总体设计。综合电力系统 具有容量大、集成发电、含大量电力 电子设备、电网拓 扑结构复杂等特点，其中容量的增大将导致电网最大 短路电流的幅值急骤增大，对断路器的极限分断能力 和电气设备承受短路电流的能力提出了更高的要求，同时也使得传统的继 电保护方法暴露出局 限性。本文分析了由于综合 电力系统 自身特点对传统 的基于时间 电流原则设计 的继 电保护
9、的不利影 响。并 在 分析 了这些 不利 影 响的基础 上，提 出了通过 限 流 技术来增强传统继电保护方案的选择性的方法，并通 过算例验证了该方法的可行性。1 传统继 电保护 的局 限性 传统船舶电力系统 的继电保护通 常采用时间电 流原则来实现保护 的选择 性。而综合 电力系统较传 收稿 日期：2 0 0 0 9 2 9；修 回 日期：2 0 0 91 02 7 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(5 0 9 7 7 0 9 0)作者 简介：谢桢(1 9 8 5一)，男，硕士研究生，主要研究方 向为综合 电力 系统 继电保护。3 6 舰船科学技术 第 3 2卷 统船舶电力系统的容量大
10、幅提升，同时要实现电力推 进用电及其他设备用电统一调度和集 中控制，这些特 点使得基于时间电流原则设计综合 电力系统 的继 电 保护方案存在局 限性。图 l 所示为双机并网运行的综合电力系统电力网 络，其中 G 1 为燃气轮发电机组，G 2为柴油发电机组，两 机组通过母线和母联开关并 网运行。其 中 G 1为推进 电 机提供功率，也可以作为 日常用电的后备电源；G 2只用 于 日常负荷的供 电。因为推进功 率大 于其 他用 电设备 功率，因此 G 1 和 G 2 容量相差较大。图 1 所示支路是 1 条与母线直接连接的典型支路，z 为线路阻抗，为 变压器短路阻抗。现基于时间电流原则设计母联开关
11、 与支路开关的继电保护，即 和，如表 1 所示。考虑 到实现母联开关保护和支路开关保护的选择性，在母联 开关上设定延时 0 4 2 S 的电流速断保护作为支路开关 保护失效后的后备保护。图 1 I P S 运行特点对输 电网继电保护的影 响 Fi g 1 Th e r u nn i ng c h a r a c t e r i s t i c s o f I PS h a v e a i mp a c t O i l r e l a y pr o t e c t i o n o f t r a n s mi s s i o n g r i d 表 1 输 电网继 电保护设计 T ab 1 Th
12、 e r e l a y p r o t e c t i o n de s i g n o f t h e t r a n s mi s s i o n g r i d 母联开关 流速lt ff断O 保4 2护s的 电流速断 保护和 无时 限 的电 支路开关 无时限的电流速断保护 图 1中曲线 代表母联开关短路电流峰值随故 障点 变 化 情 况，因 为 G 2的 容 量 大 于 G1，有 Z。z，其 中 z。和 z。：分别 为 G l和 G 2的短路 阻抗。可 以得到在母联开关左侧短路流过母联开关 的电流峰 值大于在其右侧短路流过的电流峰值：，c =，G 2。(1)G1 厶G 2 其中，E 为
13、系统相电势。由式(1)可知，设置母联开 关的无时限电流速断保护的整定值 I s Z+(z +z r)(1+Z G 2 Z G 1)时，有，LI t l，从 而，LI t I 此时变压器副边线路上发生短路故障后母联开 关 的无延时的电流速断保护将误动，继电保护选择性 失效。2 整流式超导故障限流器 整流式超导故障电流限制器 利用了超导材 料在直流状态下的无阻载流特性。其结构如图 2所 示。由 4个二极 管 构成桥 路、直 流偏 压源。和超 导 线圈 组成整流式 电路。其中直流偏压源 提供 给超导线圈一个恒定 电流，大小为 I L=，0，并使 厶大 于线路 电流 的峰值，。在 正 常工作状 态下，
14、4个 二 极 管 D 1 一D 4均导 通，线路 电流 i 通 过路桥，只在 D l D 2和 D 3一 D 4上产生很小 的压降。此时，S F C L表 现出极小阻抗。在故障状态下线路电流 i 的幅值增 大到，0 时，在 正半周内二极管 D 2和 D 3不导通，而 在负半周内 D 1和 D 4不导通，超导线 圈被 自动地串 接入线路，故障电流就被大电感 所限制。设 4个二 极 管 D 1 D 4的电 流分 别 为 i i ，i 和，线路 电 流为 i ，单个二极管通态电阻为，直流偏压源 的 内阻为 r。由 K C L可 以得 到：由桥式 电路 的对 称性 司以得 到：(4)【=；由式(1)和
15、式(2)可以解出：g d l i L+i a c )。,i i 0 i i 【=以=5(工一 )。由式(3)可 以 得 到 在 正 常工 作 状 态 下 直 流 偏 3，L，“=。+，3 8 舰船科学技术 第 3 2卷 流在母联开关 B B 1上设定无时 限电流速断保护，使 得母 线上任 意位 置发生 故 障时能迅 速隔 离故 障区域；同时在母联开关 B B 1上设置延时为 0 4 2 S 的电流速 断保护，作为相关下级故障的后备保护。进行 F l，F 2和 F 3三处故障点短路 电流计算。F 1 点短路后，母联开关 的短路 电流峰值为 7 8 1 8 k A；F 2 点短路后，母联开关的短路
16、 电流峰值 为 1 1 2 6 k A；F 3 点短路后(B r k l 故障拒动)，则母联开关的短路 电流峰 值为 1 1 3 1 k A，延时 0 4 2 S 后短路电流为 6 4 5 k A。根据前 述分 析，整 定 母 联 开关 B B 1的继 电保 护 如表 3所示。其中无时限电流速断保护整定值设 为 G l额定 电流 的 1 6 倍，延 时 0 4 2 s 的 电流速断保 护整 定值设为额定电流的3倍。表 3 输 电网开关整定值设定 Ta b 3 Br e a ks s e t t i n g v a l u e o f t he t r a n s mi s s i o n g
17、r i d 整定参数 母联开关 B B 1 延时 0 4 2 s的电流速断保护整定值 k A 无延时电流速断保 护整定值 k A(基于 G l设定)1 2 0 9 3 O 由表 3的整定值设定进行继电保护仿真计算，结 果 为：基于 G 1的额 定 电流整 定母 联 开 关，则 F 3点短 路后母联开关 B B 1的瞬动保护发 生误动，如图 5所 示。算例说明了综合 电力系统的运行特性使得传统 继 电保护 方案 的选择性 不够。n0 0 0 2 0 0 4 0 n6 0 0 8 0 l _0 0 图 5 B B 1 瞬动保护发生误 动后 故障电流波形 F i g 5 Th e f a u h c
18、 u r r e n t wa v e o f BB1 wh e n BB1 o pe r a t e d mi s t a ke n l y 4 3 结 合短路 限流 的保 护方案 分析 针对前述算例 中传统 的基于时间电流原则 的继 电保护方案存在 的问题，在 G 2的出 口端设 置限流 器，通过限制短路电流来增强选择性。根据整流式故 障电流限制器的仿真模型，本例中选取参数。为 2 0 V；r D+r 为 0 7 n；K，为 1 2 7；L为 3 2 1 m H。双机 并 网运 行 时，进 行 F l，F 2和 F 3三处 故 障点 三相短路电流计算。F l点短路后，母联开关 的短路 电流
19、峰值为 1 1 8 1 k A；F 2点短路后，母联开关的短路 电流峰值 为 1 1 2 6 k A；F 3点短路后(B r k l拒动)，则 母 联 开关 的 短 路 电 流 峰值 为 9 1 1 k A。延 时 0 4 2 s 后 短路 电流 为 6 1 6 k A。母联开关的整定值依然按照表 3的设定，无时限 电流速断保护整定值为 9 3 k A，延时 0 4 2 s的电流 速断保护整 定值为 1 2 k A。进行继 电保护仿 真计 算，结果为：F l 点和 F 2点短路后，母联开关 B B 1的无 延时电流速 断保护启动；F 3点短路后(B r k l故障拒 动)母联开关 B B 1的
20、延 时 0 4 2 s的电流速断保护启 动，如图 6所示。算例验证 了短路限流增加了原继电 保 护方 案 的选 择性。(c 1 处故障，B B 1 短廷时保 护启动(B r k l 故障拒动)图 6 设 置限流器后 的输 电网继 电保护 Fi g 6 Th e ne w c o mp l e x r e l a y pr o t e c t i o n wi t h FCL o n t h e t r a ns mi s s i o n d 5 结 语 1)传统的基于时间电流原则来设计综合电力系 统的继电保护方案存在一定 的局限性，其主要原因在 于综合电力系统具有不 同于传统船舶电力 系统的特
21、 殊 运行特 性。本 文 提 出通 过设 置 限流 器来 增 强基 于：3 如 l 1 一 一 l 一 第 4期 谢桢，等：短路 限流 对综 合 电力 系统继 电保 护特性 的影 响 3 9 时间电流原则设计的继电保护的选择性。2)基于P S C A D E MT D C 搭建 了双机并 网运行的 综合电力系统电力 网络仿 真电路。然后仿真计算 说 明了这种传统继 电保护方案选择性不够。3)建立了整流式故 障限流器的仿 真模 型，结 合 算例选取了适当参数置人综合电力系统仿真电路，仿 真计算验证了选取合适 的限流器后，可以增强原继电 保护方案的选择型。该方法还可以推广到其他不同 结构的综合 电
22、力系统保护设计中。参考 文献：1 马伟明 舰船动力发展 的方 向一 综 合 电力系统【J 海军 工程大学学报，2 0 0 2，1 4(6)：1 5，9 2 郑定泰 水面舰艇 综合 电力 系统 的技 术进 展 J 舰 船 科 学技术，2 0 0 5，2 7(5)：51 2 3 杨秀霞，张晓锋，张毅 舰 船 电力系 统 的发展 趋 势 J 中国修 船，2 0 0 4，(3)：1 21 4 4 N O E M，H Y U N 0 B，Y O O N Y B，e t a 1 I n v e s t i g a t i o n o f t h e f e a s i b i l i t y o f s
23、u p e r c o n du c tin g f a u l t c u r r e n t l i mi t e r s i n S e o u l a n d B e rl i n C P r e s e n t e d a t t h e E U C A S，S o r r e n t o，I t a l y，2 0 0 3 5 H A S S E N Z A H L W V，H A Z E L T O N D W，J O H N S O N B K，e t a 1 E l e c t ri c p o w e r a p p l i c a t i o n s o f s u p
24、e r c o n d u c t i v i t y J P r o c I E E E，2 0 0 4，9 2(1 O)：1 6 5 51 6 7 3 6 B O E N I G H J，M I E L K E C H，B U R L E Y B L，e t a 1 T h e b rid g e t y pe f a u l t c ur r e nt c o n t r o l l e r-A ne w FACTS c o n t r o J e r C P r o c I E E E P o w e r E n g S o c S u m m e r Me e t i n g，2 0
25、0 2：4 554 60。7 S A L I M K M，HO S H I N O T，K A WA S A K I A，e t a 1 W a v e f o r m a n a l y s i s o f t h e b rid g e t y pe SFCL d u r i n g l o a d c h ang i n g a n d f a u l t t i m e J I E E E T r a n s a c t i o n s o n a p p l i e d s u p e r c o n d u c t i v i t y，2 0 0 3，1 3(2)：1 9 9 21
26、 9 9 5 8 L I L F，G O N G L H，X U X D，e t a 1 F i e l d t e s t a n d de mo n s t r a t e d o pe r a t i o n o f 1 0 5 k V1 5 k A HTS f a ul t c u r r e n t l i m i t e J I E E E T r a n s a c t i o n s o n a p p l i e d s u p e r c o n d u c t i v i t y，2 0 0 7，1 7(2)：2 0 5 5 2 0 5 8 9 L E U N G E，B
27、 U R L E Y B，C H I T WO O D N，e t a 1 D e s i g n&De v e l o pme n t o f a 1 5 k V 20 kA HTS f a u l t c ur r e nt l i mi t e r J I E E E T r a n s a c t i o n s o n a p p l i e d s u p e r c o n d u c t i v i t y，2 0 0 0，1 0(1)：8 3 28 3 5【1 0 T A K A H I R O N，MI T S U G I Y，S A T O S H I F，e t a 1
28、 S i n g l e D C r e a c t o r t y p e f a ul t c urre nt l i mi t e r f o r 6 6k V p o we r s y s t e m J I E E E T r a n s a c t i o n s o n a p p l i e d s u p e r c o n d u c t i v i t y，2 0 0 1，1 1(1)：2 0 9 0 2 0 9 3 1 1 B O E N I G H J，P A I C E D A F a u l t c u r r e n t l i m i t e r u s i
29、n g a s u p e r c o n d u c t i n g c o i l J I E E E T r a n s a c t i o n s o n m a g n e t i c，1 9 8 3，1 9(3)：1 0 5 31 0 5 5 1 2 Y A MA G U C H I M，F U K U I S，S A T O H T，e t a 1 P e rf o r m a n c e o f DC r e a c t o r t y p e c ur r e n t l i mi t e r u s i n g h i g h t e mpe r a t ur e s u
30、p e r c o n d u c t i n g c o i l J I E E E T r a n s a c t i o n s o n a p p l i e d s u p e r e o n d u c t i v i t y，1 9 9 9，9(2)：9 4 0 9 4 3 1 3 Ma n i t o b a H V D C R e s e a r c h C e n t e r P S C A D E MT D C P o w e r s y s t e m s i m u l a t i o n s o f t w a r e u s e r s m a n u a l M
31、 V e r s i o n 3，1 99 8 r e l e a s e 1 4 A N A Y A O，L A R A，A C H A E Mo d e l i n g a n d a n a l y s i s o f c u s t o m p o w e r s y s t e m s b y P S C AD E MT D C J I E E E T r a n s P o w e r D e l i v e r y，2 0 0 2，1 7(1)：2 6 6 2 7 2 日本为新战略使命将建造更大型潜艇 据 航 空航天 与防御报告 日讯 报 道，到 2 0 1 5年 日本都将 以每
32、年 1艘速度持续建造世界上最大最先进的柴 电潜艇。日本从 2 0 0 5年开始研究下一代潜艇的设计，2 0 1 6财年完成概 念设计，预计将在 2 0 2 1年 完工。如 果 日本继续增加 其 潜艇 吨位，则 2 0 1 6财 年 的 潜 艇 标 准 排 水 量 可达 3 1 5 0 t，水 下 排 水 量 4 5 5 0 t。建造更大的潜艇 反映 出日本海军的战略 变化，区域 防御 重点从俄 罗斯 转向 了中国，因此要扩 大其巡逻 领域。据 日 本前水面舰 指挥官透 露，下一代潜艇应该是核动力潜艇(S S N)，以对抗 西太平 洋和 南中国海 的中国核潜艇。正在建造之 中的 6艘“苍龙”级潜
33、艇标准排水量为 2 9 5 0 t，水 下排 水量 4 2 0 0 t，比澳大利 亚“柯 斯林”级潜艇排 水量 大 2 5 。“苍 龙”号 已于2 0 0 9年 3月 3 0日完工，是“亲潮”级潜艇的改进型，比“亲潮”级 潜艇 略 大。是采 用“雪茄 型”艇 俸设计 的第二代 潜艇。该潜艇采 用 2 4 0 k W 斯特林发动机 A I P系统动 力推进，提 高水下续航力。“亲潮”级潜艇在 1 9 9 8 2 0 0 8年 闯建 造，总计 1 1 艘，是 第一代“雪茄 型”潜艇。该级 潜艇 与 以 1 9 5 9年 建造 的美 国 “常颌 须鱼”级(B arb c 1)柴电潜艇 为基础 续建的
34、三级 水滴型潜艇 相比有明显不 同。据 日本 前潜艇部 队指挥 官透露，“苍龙”级 潜艇 的下层设计减 少 了水手舱 的空 间。为 了既能安 装 A l P系统(2 0 0 t)又保持 潜艇 的标 准排 水量在 3 0 0 0 t 以下，“苍龙”级潜艇 的指挥舱缩 小到“亲潮”级的 7 5。5艘“苍龙”级潜艇在 2 0 0 4 2 0 0 8财年间获得资金建造，2 0 1 0财年预算拨款 5 2 8亿 日元建造第 6艘潜艇，计划在 2 0 1 5年 完成。三菱重工和川崎重工公 司自 1 9 7 7年起 每年轮 流建造 1 艘 潜艇。日本首相鸠山 由纪夫有可能会采用竞标 的方式订购第6 艘潜艇以节约经费。I 何 远玲 l