船舶交流电网短路故障方向判断的新方法有哪些「短路故障怎么查找」

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海军工程大学电气工程学院的研究人员黄靖、张晓锋、叶志浩、张涛，在2019年第19期《电工技术学报》上发表研究新成果，对船舶交流电网三相与两相短路电流变化率的特性进行理论分析,研究短路合闸角、功率角及线路阻抗等参数对短路电流变化率的影响,分析短路初始阶段电流变化率的正负极性与短路故障方向之间的对应关系,在此基础上,提出基于电流变化率与短路合闸角的短路故障方向综合判据。应用该判据,通过检测和比较短路合闸角与短路初始阶段电流变化率的正负极性,即可实现短路故障方向的快速判断,因而对采样精度要求不高,所需的实时数据量和计算量较少。

随着船舶电力系统向大型化发展，船舶电网结构呈现网状化且存在多个电源。当不同短路点发生短路故障时，供电线路上的短路电流馈送方向也将发生变化，使按照固定短路电流馈送方向进行整定的起动电流和延时时间与实际短路电流馈送方向相冲突，导致保护装置误动作，严重影响保护选择性的实现。这就要求采取有效方法快速判断船舶电网短路故障方向，以实现多电源系统短路故障保护动作的选择性。

针对多电源系统的短路故障方向判断及相应保护问题，目前主要有功率方向保护方法、电流差动方法、行波保护等多种方法。因船舶电力系统供电面积小，电缆长度短（线路长度＜300m），短路点距保护装置一般很近，短路残余电压接近零，功率或能量方向保护方法应用于船舶电力系统时，将面临“电压死区”问题，无法可靠动作，因而存在适应性问题。

有学者针对含分布式电源的主动配电网，提出一种基于正序故障分量的电流方向元件，利用电流正序故障分量和正序故障分量定义的基准量之间的相位差来判别故障方向，无需检测电压信号。但该方法在具体实施时，需检测完整工频周期的电流信息，并需要进行两次电流序列微分计算以获得相位差信息，计算量较大，方向判断的快速性存在一定不足。

差动保护方法基于基尔霍夫电流定律，原理简单可靠，具有完备的保护选择性，近年来已在船舶电力系统中得到广泛应用。但差动保护方法对线路两端保护装置的实时电流信号采集和传输的同步性要求较高，同步时间误差将对差动保护动作准确性造成不利影响。

有学者提出了基于相量集合的站域差动保护算法，采用各支路的电流同步相量集合进行差动保护逻辑计算，依此计算出差动电流和制动电流，改善了由于采样信息不同步所导致的保护误动或拒动问题。有学者针对分布式发电配电网，提出了一种基于相位变化量的纵联保护方案，合理避免了同步误差对保护制动特性的影响，提高了相移制动能力。但该方法需要使用负荷电流作为同步参考相量，存在空载合闸到故障线路时的保护死区问题。有学者针对主动配电网馈线差动保护方法，通过计算各馈线终端单元（Feeder Terminal Unit, FTU）故障电流的动态时间弯曲（Dynamic Time Warping, DTW）距离确定区段内部或外部故障，具有良好的抗同步误差能力。但由于该方法需要各FTU相互交换1个工频周波的故障电流采样数据，数据通信量偏大，保护快速性存在不足。有学者提出了基于线路两端故障电流分量相位差的快速差动保护方案，建立了决策树以确定短路故障类型，同时区分区外或区内故障，但仍面临电流信号采集同步误差问题。

行波保护利用输电线路短路故障时产生的暂态行波在母线与故障点之间多次折反射而形成的故障高频暂态量，通过分析故障信号的幅值、极性、方向等丰富信息实现高速暂态保护，可大致分为行波方向式保护、行波差动保护和行波距离保护等类型。

由于船舶电力网络线路长度远远小于陆地输电网络，船舶电网故障初始行波和反射行波信号到达检测点的传输时延极小，极易出现混叠情况，难以保证短路方向判断和故障测距的准确性，故障行波保护方案应用于船舶电力系统较为困难。

为解决以上问题，海军工程大学电气工程学院的研究人员黄靖、张晓锋、叶志浩、张涛，在2019年第19期《电工技术学报》上发表研究新成果（论文标题为“基于电流变化率与短路合闸角综合判据的船舶交流电网短路故障方向判断”），研究团队通过对船舶电网三相和两相短路电流初始变化率的数学推导与实例计算，得到了短路电流变化率随短路合闸角、发电机功率角、短路线路长度变化的规律，并利用短路电流变化率正负极性与短路故障方向的对应关系，提出了基于电流变化率和短路合闸角综合判据的短路故障方向判断方法。

本方法可在短路电流到达峰值前完成短路故障及其方向判断，无需检测短路残余电压，无需考虑两侧电流检测一致性和时间同步要求，对线路参数的精度要求不高，对信号采样精度要求不高，所需的实时采集信息量较少，因而在保护的快速性、灵敏性和可靠性方面具有一定优势，具有良好的工程应用前景。

图6 短路方向辨别原理示意图