中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法

2023-05-27 18:30:11

中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法
【專利摘要】本發明屬於船舶電力系統保護領域，具體涉及一種中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法，解決現有保護方法無法實現選擇性保護的難題。本發明通過DC/AC/DC變電模塊和直流斷路器的協調保護實現環形直流的選擇性保護，在準確、快速切除短路故障的同時，避免直流斷路器在母線上普遍應用所帶來的經濟、體積、重量等成本壓力；通過變電模塊和下級斷路器的協調保護，實現低壓交流配電網絡及低壓直流配電網絡的選擇性保護，將故障限制在本分區內，不影響上級直流母線，顯著提高了船舶電力系統對日用負載的供電連續性。
【專利說明】中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於船舶電力系統領域，具體涉及一種適用於採用700V等級直流母線的直流區域配電網絡的選擇性保護的中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法。
【背景技術】
[0002]綜合電力系統運用電力集成思想實現電能的統一調度，主要包括發電、配電、變電、推進、儲能、監控/管理六個模塊，是未來船舶電力系統的發展方向。由於在功率密度、體積重量、電磁兼容、振動噪聲等方面的優勢，中壓直流將逐漸取代中壓交流成為發電模塊的標準形式。
[0003]對於配電模塊，其主要任務是將電能從發電機輸送到負載，合理分配電能，以保證全船電力負荷得到規定品質的電力供應。確保電網發生故障時，維持最大範圍內的供電連續性；在各種緊急狀態下，向保證船舶安全所需要的重要電氣設備供電。區域配電採用模塊化建造思想，按功能、位置等因素將全船日用負荷劃分至相對獨立的區域，各區域由貫穿全船的低壓配電母線統一供電，區域內部不同電制的交流、直流日用負荷獨立組網。與傳統輻射狀配電網絡相比，區域配電網絡具有供電生命力強的突出優點，並且可以減少電纜用量，減少電纜穿艙孔數量和面積，縮短電纜敷設時間，降低配電系統尺寸、重量。
[0004]根據低壓配電母線電制的不同，區域配電可以分為交流區域配電和直流區域配電。交流區域配電已在船舶領域取得一定應用。而直流區域配電可以進一步降低未來船舶的採購和運行、維護費用，具有供電連續性好、潮流調配靈活、便於製造等優勢，應用前景廣泛。為了保證直流區域配電網絡的穩定運行，必須進行完善的保護設計。船舶日用負載根據電壓等級和電制可以分為低壓交流網絡和低壓直流網絡，因此，直流區域配電網絡可以分為環形直流母線、低壓交流網絡以及低壓直流網絡三個部分。
[0005]傳統輻射狀配電網絡基於時間電流原則配置斷路器實現電力系統的選擇性保護，而直流區域配電網絡直流母線具有典型的環網結構，時間電流原則不再適用；直流系統短路電流沒有自然過零點，考慮到船上艙室空間非常有限，以及高溫、高溼、鹽霧、傾斜搖擺、衝擊振動等惡劣的工作環境，大容量、高可靠性直流斷路器在網絡中的普遍應用將嚴重增加系統在經濟成本、體積、重量等方面的負擔。
[0006]對於低壓交流網絡和低壓直流網絡的保護，傳統配電網絡一般由發電機供電，採用時間電流原則整定斷路器以實現協調保護，而直流區域配電系統中低壓網絡由電力電子裝置供電，電力電子裝置的工作特性與發電機有著本質不同，考慮裝置成本、體積、重量等因素，在有限的設計裕量下，其輸出過電流能力僅為額定電流2?3倍，可能無法為下級斷路器提供足夠的短路電流以切除短路，進而導致全網失電。

【發明內容】

[0007]本發明針對上述技術問題，提供了一種中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法，準確、快速切除短路故障，避免直流斷路器在母線上普遍應用所帶來的經濟、體積、重量等成本壓力，提高船舶電力系統對日用負載的供電連續性。
[0008]本發明提供了一種一種中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法，包括以下步驟:
[0009]第一步，設置DC/AC/DC變電模塊短路限流參數及直流斷路器保護整定值，實現直流母線的協調保護。直流母線通過直流斷路器向各區域供電，不同區域的直流母線通過隔離開關聯結成環形網絡。為直流母線供電的DC/AC/DC變電模塊具有短路限流功能，能夠將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為母線上直流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間。根據DC/AC/DC變電模塊各支路額定電流及電壓等參數確定直流母線上直流斷路器選型，儘量選擇分斷時間短、可靠性高的船用斷路器。根據型式試驗或例行試驗結果，得到直流母線上直流斷路器分斷短路電流的動作時間(即從操作電源送入跳閘線圈的瞬間算起，直到電弧熄滅的時間為止)，設置母線上直流斷路器的瞬時動作，動作電流取額定值Ie的4?7倍；
[0010]第二步，確定各配電分區內DC/AC/DC變電模塊故障限流輸出特性，DC/AC/DC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間應大於各母線上直流斷路器的動作時間，DC/AC/DC變電模塊輸出短路限流值應大於各母線上直流斷路器的動作電流，取為變流模塊額定電流值的2倍；
[0011]第三步，設置各配電分區內DC/AC變電模塊短路限流參數及下級交流斷路器保護整定值，實現低壓交流網絡的協調保護，根據DC/AC變電模塊各支路額定電流及電壓等參數確定所在配電分區內低壓交流配電網絡中交流斷路器選型；
[0012]第四步，確定DC/AC變電模塊故障限流輸出特性，保證DC/AC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間大於下級斷路器的短路短延時整定時間的最大值和下級欠壓保護延時時間的最大值，保證DC/AC變電模塊輸出短路限流值大於下級斷路器中短路保護動作電流的最大值；如果DC/AC變電模塊下級保護裝置中包含熔斷器，選擇熔斷器時必須綜合考慮DC/AC變電模塊輸出短路限流值和證DC/AC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間的大小，以保證熔斷器正確動作；
[0013]第五步，設置DC/DC變電模塊短路限流參數及下級直流斷路器保護整定值，根據DC/DC變電模塊各支路額定電流及電壓等參數確定低壓直流配電網絡中直流斷路器選型，實現低壓直流網絡的協調保護；
[0014]第六步，確定DC/DC變電模塊故障限流輸出特性，保證DC/DC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間大於下級斷路器的短路短延時整定時間的最大值；保證DC/DC變電模塊輸出短路限流值大於下級斷路器中短路保護動作電流的最大值。
[0015]所述DC/AC/DC變電模塊具有短路限流功能，能夠將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為母線上直流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間。
[0016]所述DC/AC變電模塊具有短路限流功能，能夠將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為下級交流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間。
[0017]所述DC/DC變電模塊具有短路限流功能，能夠將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為下級直流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間。
[0018]本發明利用具有短路限流功能的DC/AC/DC變電模塊將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為母線上直流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間，通過合理配置DC變電模塊短路限流參數及直流斷路器保護整定值實現環形直流的選擇性保護，在準確、快速切除短路故障的同時，避免直流斷路器在母線上普遍應用所帶來的經濟、體積、重量等成本壓力。本發明利用具有短路限流功能的DC/AC變電模塊和DC/DC變電模塊將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，分別為下級交流斷路器和下級直流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間，通過合理配置DC/AC變電模塊短路限流參數及下級交流斷路器保護整定值實現低壓交流網絡的協調保護，通過合理配置DC/DC變電模塊短路限流參數及下級直流斷路器保護整定值實現低壓直流網絡的協調保護。本發明實現了低壓交流配電網絡及低壓直流配電網絡的選擇性保護，將故障限制在本分區內，不影響上級直流母線，顯著提高了船舶電力系統對日用負載的供電連續性。
[0019]說明書附圖
[0020]圖1是中壓直流供電的直流區域配電網絡結構示意圖；
[0021]圖2是典型直流區域配電網絡單線圖；
[0022]圖3是具備故障限流功能的變電模塊的輸出特性；
[0023]圖4是具備故障限流功能的變電模塊的工作模式轉換圖。
【具體實施方式】
[0024]下面集合說明書附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步說明:
[0025]本發明提供了一種中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法，包括以下步驟:
[0026]第一步，設置DC/AC/DC變電模塊短路限流參數及直流斷路器保護整定值，實現直流母線的協調保護，根據DC/AC/DC變電模塊各支路額定電流及電壓等參數確定直流母線上直流斷路器選型，根據型式試驗或例行試驗結果，得到直流母線上直流斷路器分斷短路電流的動作時間(即從操作電源送入跳閘線圈的瞬間算起，直到電弧熄滅的時間為止)，設置母線上直流斷路器瞬時動作，其動作電流取所在支路電流額定值的4?7倍；
[0027]第二步，確定各配電分區內DC/AC/DC變電模塊故障限流輸出特性，DC/AC/DC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間應大於各母線上直流斷路器的動作時間，DC/AC/DC變電模塊輸出短路限流值應大於各母線上直流斷路器的動作電流；
[0028]第三步，設置各配電分區內DC/AC變電模塊短路限流參數及下級交流斷路器保護整定值，實現低壓交流網絡的協調保護，根據DC/AC變電模塊各支路額定電流及電壓等參數確定所在配電分區內低壓交流配電網絡中交流斷路器選型；
[0029]第四步，確定DC/AC變電模塊故障限流輸出特性，保證DC/AC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間大於下級斷路器的短路短延時整定時間的最大值和下級欠壓保護延時時間的最大值，保證DC/AC變電模塊輸出短路限流值大於下級斷路器中短路保護動作電流的最大值；如果DC/AC變電模塊下級保護裝置中包含熔斷器，選擇熔斷器時必須綜合考慮DC/AC變電模塊輸出短路限流值和證DC/AC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間的大小，以保證熔斷器正確動作；
[0030]第五步，設置DC/DC變電模塊短路限流參數及下級直流斷路器保護整定值，根據DC/DC變電模塊各支路額定電流及電壓等參數確定低壓直流配電網絡中直流斷路器選型，實現低壓直流網絡的協調保護；
[0031 ] 第六步，確定DC/DC變電模塊故障限流輸出特性，保證DC/DC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間大於下級斷路器的短路短延時整定時間的最大值；保證DC/DC變電模塊輸出短路限流值大於下級斷路器中短路保護動作電流的最大值。
[0032]上述技術方案中，所述DC/AC/DC變電模塊具有短路限流功能，能夠將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為母線上直流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間。
[0033]上述技術方案中，所述DC/AC變電模塊具有短路限流功能，能夠將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為下級交流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間。
[0034]上述技術方案中，所述DC/DC變電模塊具有短路限流功能，能夠將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為下級直流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間。
[0035]針對中壓直流供電的直流區域配電網絡的保護，本發明從環形直流母線、低壓交流網絡以及低壓直流網絡三個部分依次實施。以下結合附圖對本發明作進一步的敘述。
[0036]圖2是典型直流區域配電網絡單線圖，採用700V直流母線。DC/AC/DC變電模塊將直流4000V降壓至直流700V，船上前後電站各布置一臺，通過直流開關向左舷或右舷直流母排供電。每個配電分區左右舷各配置I個舷側開關櫃(Kl?K4)與700V直流母排連接。每臺舷側開關櫃中有多個跨接開關或斷路器。其中，Qll?Q22為舷側跨接開關，可以遠程控制其打開或閉合，正常工況下不進行帶載分斷動作；Q23?Q30為直流斷路器，可以將區域內的故障與700V母線隔離。區域I內，DC/AC變電模塊將直流700V變換為三相交流400V/50HZ，向低壓交流網絡供電，交流日用負載分兩級布置，包括電動機及阻感性負載，具有典型的輻射狀配電結構；DC/DC變電模塊將直流700V變換為直流230V，向低壓直流網絡供電，直流日用負載分兩級布置，同樣具有典型的輻射狀配電結構。
[0037]在正常工況下，變電模塊工作在恆壓狀態，相當於一個恆壓源；當變電模塊檢測到輸出發生短路故障時，立即自動切換至恆流狀態，將短路電流限制在固定值Isp，並維持一段時間Ts，為故障支路的斷路器提供充分的短路電流和動作時間，相當於一個電流源。具備故障限流功能的變電模塊的輸出特性如圖3所示，其工作模式轉換過程如圖4所示。
[0038]典型直流區域配電網絡的保護方法包括以下步驟:
[0039]第一步，設置DC/AC/DC變電模塊短路限流參數及直流斷路器保護整定值，實現直流母線的協調保護，根據DC/AC/DC變電模塊各支路額定電流及電壓等參數確定直流母線上直流斷路器選型，儘量選擇分斷時間短、可靠性高的船用斷路器，根據型式試驗或例行試驗結果，得到直流母線上直流斷路器分斷短路電流的動作時間(即從操作電源送入跳閘線圈的瞬間算起，直到電弧熄滅的時間為止)，記為Tq23?Tq3ci,設置母線上直流斷路器Q23?Q3tl瞬時動作，動作電流Ie23tjp?IQ3_取額定值Ie的4?7倍，具體實施例中取5。實例中直流母線直流斷路器保護整定如表I所示；
[0040]表I直流母線上直流斷路器保護整定
【權利要求】
1.一種中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法，其特徵在於包括以下步驟: 第一步，設置DC/AC/DC變電模塊短路限流參數及直流斷路器保護整定值，實現直流母線的協調保護，根據DC/AC/DC變電模塊各支路額定電流及電壓等參數確定直流母線上直流斷路器選型，根據型式試驗或例行試驗結果，得到直流母線上直流斷路器分斷短路電流的動作時間(即從操作電源送入跳閘線圈的瞬間算起，直到電弧熄滅的時間為止)，設置母線上直流斷路器瞬時動作，其動作電流取所在支路電流額定值的4?7倍； 第二步，確定各配電分區內DC/AC/DC變電模塊故障限流輸出特性，DC/AC/DC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間應大於各母線上直流斷路器的動作時間，DC/AC/DC變電模塊輸出短路限流值應大於各母線上直流斷路器的動作電流； 第三步，設置各配電分區內DC/AC變電模塊短路限流參數及下級交流斷路器保護整定值，實現低壓交流網絡的協調保護，根據DC/AC變電模塊各支路額定電流及電壓等參數確定所在配電分區內低壓交流配電網絡中交流斷路器選型； 第四步，確定DC/AC變電模塊故障限流輸出特性，保證DC/AC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間大於下級斷路器的短路短延時整定時間的最大值和下級欠壓保護延時時間的最大值，保證DC/AC變電模塊輸出短路限流值大於下級斷路器中短路保護動作電流的最大值；如果DC/AC變電模塊下級保護裝置中包含熔斷器，選擇熔斷器時必須綜合考慮DC/AC變電模塊輸出短路限流值和證DC/AC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間的大小，以保證熔斷器正確動作； 第五步，設置DC/DC變電模塊短路限流參數及下級直流斷路器保護整定值，根據DC/DC變電模塊各支路額定電流及電壓等參數確定低壓直流配電網絡中直流斷路器選型，實現低壓直流網絡的協調保護； 第六步，確定DC/DC變電模塊故障限流輸出特性，保證DC/DC變電模塊故障限流時恆流輸出持續時間大於下級斷路器的短路短延時整定時間的最大值；保證DC/DC變電模塊輸出短路限流值大於下級斷路器中短路保護動作電流的最大值。
2.根據權利要求1所述的中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法，其特徵在於DC/AC/DC變電模塊具有短路限流功能，能夠將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為母線上直流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間。
3.根據權利要求1所述的中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法，其特徵在於DC/AC變電模塊具有短路限流功能，能夠將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為下級交流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間。
4.根據權利要求1所述的中壓直流供電的直流區域配電網絡保護方法，其特徵在於DC/DC變電模塊具有短路限流功能，能夠將輸出短路電流限制在一定範圍並維持一段時間，為下級直流斷路器切斷短路故障提供必要的短路電流及動作時間。
【文檔編號】H02H7/22GK103457246SQ201310407670
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】範學鑫, 肖飛, 王瑞田, 楊國潤, 謝幀, 揭貴生, 王恆利, 陸明科 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學