船舶直流电网短路恢复过电压对系统保护设计影响研究

鄢 伦，吴大立，李文华

应用研究

船舶直流电网短路恢复过电压对系统保护设计影响研究

鄢 伦1, 2，吴大立1, 2，李文华1, 2

（1. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205；2. 海洋电磁探测与控制湖北省重点实验室，武汉 430205）

直流电网是船舶电力系统的重要发展方向，受保护器械重量、体积等制约因素使采用限流熔断器成为船舶直流电网保护设计的选择方案，然而保护器械的快速动作使系统中出现的暂态恢复过电压可能引起非故障支路限流熔断器熔断，造成选择性保护失效。本文面向船舶直流电网短路恢复过电压现象，从理论上分析研究了其对系统保护设计的影响，并针对性的提出了改进方案和工程应用方法，可指导船舶直流电网选择性保护设计进一步优化完善，提高船舶直流电网运行的安全可靠性。

直流电网 限流熔断器 恢复过电压 选择性保护

0 引言

近年来，随着节能减排要求的不断提高以及大功率电力推进技术和先进电力电子变流技术的迅猛发展，更加具备经济性、运行灵活性的直流电网逐渐成为船舶电力系统的重要发展趋势[1-2]。为确保船舶直流电网短路后迅速切除、隔离故障，完善的保护设计对实现船舶直流电网的安全、可靠运行，提高全船电网供电连续性具有重大意义[3]。

由于船舶电力系统规模小、供电距离短，不论是采用整流发电机或者蓄电池直接供电的船舶直流电力系统，当其供电负载侧短路时均可能在短路点产生高达百kA级的短路电流。为更快的切除短路故障，基于限流熔断器的船舶直流电网选择性保护设计方案成为广泛应用的方案之一[4]。实际应用时，通常根据负载额定电流、短路保护切除时间要求等因素，在电网中设计配置合适的限流熔断器。结合工程应用可实现性以及合理性，为实现负载短路时快速切除短路故障，一般要求限流熔断器动作时间在10 ms以内，以提高全船电网供电连续性和可靠性。

然而，对于更加典型的多母线供电结构的船舶直流电网，当负载出现短路故障时，母联限流断路器或限流熔断器快速动作时，会导致直流电网出现短路暂态恢复过电压，使非故障支路输入电压与电网电压存在较大的压差，进而可能导致非故障支路流过较大的电流，引起非故障支路配置的限流熔断器动作熔断，造成非故障支路失电，导致直流电网选择性保护失效。

针对这一过去未引起充分重视和关注的问题，本文基于当前典型船舶直流电网选择性保护设计方案，面向船舶直流电网短路恢复过电压现象，研究了其对系统选择性保护设计的影响，并针对性的提出了保护设计改进思路和工程应用方案，通过相关改进可指导船舶直流电网选择性保护设计优化完善，进一步提高船舶直流电网运行的安全可靠性。

1 船舶直流电网典型选择性保护设计方案

船舶直流电网由于供电线路距离短，远端短路电流与近端短路时电流差别较小，为兼顾实现船舶直流电网保护选择性与快速性，并充分考虑直流框架式断路器或固态断路器等解决方案带来的体积、重量大等制约因素[5-6]，当前典型的基于限流熔断器进行保护设计的方案示意图如下图1所示。

图1 船舶直流电网典型保护设计方案示意图

图1所示方案实现直流电网保护选择性的基本原理为利用电源侧配置的框架式断路器瞬时保护固有动作时间或通过设置短延时，以实现负载侧短路时，蓄电池等电源馈送的短路电流导致负载侧限流熔断器快速熔断，而框架式断路器未动作，即利用两者的时间差构成选择性保护。

具体而言，图1中逆变器支路1处短路时，蓄电池组馈送的短路电流将流过框架式断路器Q1和逆变器支路的负荷开关Q2和限流熔断器，通过对限流熔断器的弧前2t值进行恰当设计，并通过对断路器Q1设置短延时保护，即可实现逆变器支路限流熔断器在10 ms以内动作熔断，切除短路故障，且此时断路器Q1不动作，保证了蓄电池组仍可继续向其他负载供电。

对于多母线供电结构的直流电网，如图1中设置的1号直流主配电板和2号直流主配电板，并通过母联开关Q3构建供电通路。对于高供电可靠性场合，为实现单条母线出现短路等故障时不影响其他供电母线，常常将母联开关Q3配置为限流断路器，以通过短路时触发母联限流断路器瞬时保护动作，实现不同母线快速解列，保障非故障母线回路供电连续性。具体而言，当图1中斩波器支路2处短路时，蓄电池组馈送的短路电流将流过框架式断路器Q1、母联限流断路器Q3和斩波器支路的负荷开关Q4和限流熔断器，该短路电流会导致母联限流断路器Q3瞬时保护动作（最快1 ms以内），使1、2号直流主配电板独立，从而保证蓄电池组可继续向1号直流主配电板下的逆变器支路供电。

2 短路恢复过电压及其对保护影响分析

2.1 短路恢复过电压现象

针对船舶直流电网典型保护设计方案，由于限流熔断器或限流断路器动作时间很短，同时整流发电机或蓄电池等短路电流均很大，一般高达数十kA，如此巨大的短路电流在10 ms以内被保护器械切除时，必然导致系统中电流变化率很大，从而在系统中产生暂态恢复过电压。某一船舶直流电网负载短路时电网电压变化曲线如下图2所示。

图2 某一船舶直流电网负载短路时电网电压变化曲线

从图2中可看出，该船舶直流电网电压在短路期间跌落到几乎为0，短路被切除电网电压恢复期间最高电压升高到超过1400 V，短路切除后电压恢复到稳态850 V，最高暂态电压与稳态电压间压差超过550 V。

2.2 短路恢复过电压对保护影响分析

针对如图1所示典型船舶直流电网，构建其典型电路分析模型如下图3所示。

图3 直流电网电路分析模型

图3中，E为蓄电池组内电势，RL分别为蓄电池组电阻和电感；RL为从蓄电池组至逆变器供电支路的线路电阻和电感；RL为从蓄电池组至斩波器供电支路的线路电阻和电感；RL为从1号直流主配电板至逆变器直流侧支撑电容之间的等效电阻和电感；RL为从1号直流主配电板至斩波器直流侧支撑电容之间的等效电阻和电感；UU分别为逆变器直流侧支撑电容电压和斩波器直流侧支撑电容电压。

以逆变器支路为例进行分析，短路前，逆变器直流侧支撑电容电压为：

当斩波器支路短路触发母联限流断路器Q3瞬时保护动作时，电网最高电压为限流断路器短路动作期间触头暂态恢复电压arc，该电压将施加于非故障的逆变器支路，且显著高于作为供电电源的蓄电池电压，类似图2中所示。

考虑到为避免直流电网短路时各类变换器直流支撑电容对短路点放电，逆变器输入回路一般均设计有反向截止晶闸管，保证短路期间逆变器直流支撑电容不会反向对外放电，如下图4所示。

图4 逆变器输入电路拓扑

假设逆变器支撑电容在短路期间电压不变，则短路后逆变器供电电压与其直流侧支撑电容间的最大电压压差为：

上述电压差导致逆变器供电支路将流过的电流为i，则有如下关系：

从式（3）和（4）中可知，由于短路电流切除时断路器触头暂态恢复电压高于逆变器直流支撑电容，其将导致直流侧支撑电容流过充电电流，且最高暂态恢复电压越大，流过的电流也越大。

逆变器支路在短路故障切除恢复过程中流过的充电电流在限流熔断器中产生的电流热效应为：

由于暂态恢复电压arc和支撑电容电压均为变化量，式（3）和（4）联立方程为变系数多阶微分方程，难以直接理论求解。

为简化分析，考虑最恶劣情形，即忽略支路电阻，并假设电网暂态恢复电压arc一直为最大值arc-max，则可得如下关于i的简化表达式：

则式（6）转化为二阶常系数微分方程，解析求解则可得上述式（5）中的最大值解析表达式为：

由此，比较式（7）计算得到的值与支路配置的限流熔断器弧前2t值，若值大于弧前2t值，则短路恢复时流过逆变器的充电电流将有可能导致限流熔断器熔断，从而造成如图1中非故障的逆变器支路保护动作，引起逆变器支路失电，造成电网选择性保护失效；若值小于弧前2t值，则短路恢复时流过逆变器的充电电流将不会导致如图1中非故障的逆变器支路限流熔断器熔断而使逆变器失电，符合电网选择性保护要求。

3 直流电网保护设计改进分析

3.1 改进方案

针对船舶直流电网暂态恢复过电压可能造成非故障支路流过电流而引发限流熔断器误保护动作问题，结合前述分析，可考虑采用母联断路器设置短延时保护与限流熔断器配合或提高限流熔断器通流能力，优化限流熔断器选型设计的解决措施。

由于限流熔断器动作很快，通过母联断路器设置短延保护可实现与限流熔断器保护动作选择性，但由于母联断路器设置了短延时保护后，不可避免的会导致单一短路故障影响全船直流电网，无法实现短路故障发生后不同母线快速解列独立，保障非故障母线回路供电连续性，该方案在直流电网供电连续性极高的场合可能难以适用。

另一解决措施则是适当提高负载配置的限流熔断器的额定电流和弧前2t值，在保证负载短路故障在满足要求的动作时间内被切除即可，无需限流熔断器过快保护动作。考虑到非故障支路限流熔断器误动作保护往往只可能出现在功率较小的负载支路中，适当提高限流熔断器通流能力不会破坏直流电网选择性保护设计，因此该方案更为合理可行。而提高限流熔断器通流能力，适当延长熔断动作时间，从孔径、狭颈及铜排间隙等方面改进均可实现[7]。

3.2 匹配性分析

为合理设计限流熔断器，需综合考虑短路时保护动作时间与暂态恢复过电压所产生的电流热效应。为便于指导工程应用，根据前述分析，设计选择限流熔断器时只需保证其弧前2t值大于系统暂态恢复过电压可能对非故障支路造成的充电电流热效应值，即可保证短路保护的选择性。

考虑到直流电网中存在多个逆变器、斩波器等负载支路，不同负载支路一般均设置直流支撑电容，断路器动作时导致系统产生的暂态恢复过电压而引起的充电电流将在不同的负载支路中被分流，从而单一支路中流程的充电电流将减小，如下图所示。

图5 多负载支路下暂态恢复过电流被分流示意图

因此，依据前述分析中式（7）得到的最恶劣情形下非故障支路电流热效应值，以包络方式设计选型限流熔断器可满足不同场景下的系统选择性保护设计要求，且工程应有简单，实现难度小。

4 结语

船舶直流电网选择性保护的快速性和高可靠性要求以及保护器械重量、体积等制约因素使采用限流熔断器成为船舶电力系统进行保护设计的选择方案，然而保护器械的快速动作使系统中不可避免的出现暂态恢复过电压，进而导致非故障支路流过充电电流而引发支路限流熔断器动作，造成直流电网非故障支路失电，使系统选择性保护设计失效。针对这一问题，本文基于典型船舶直流电网选择性保护设计方面，针对船舶直流电网短路恢复过电压现象，从理论上分析得到了最恶劣情形下非故障支路暂态电流热效应值，指出了其导致非故障支路限流熔断器误动作的原因及其对系统保护的影响，并据此针对性的提出了改进方案，开展了匹配性分析，通过相关改进可指导船舶直流电网选择性保护设计优化完善，进一步提高船舶直流电网运行的安全可靠性。

[1] 乐春阳. 直流电网在大型船舶中的发展趋势[J]. 造船技术, 2019(4): 5-10, 18.

[2] Bosich D, Vicenzutti A, Pelaschiar R, et al. Toward the future: The MVDC large ship research program[C]. aeit international annual conference, 2015: 1-6.

[3] 鄢伦, 吴大立, 李兴东, 等. 直流全电力推进船舶短路故障管控技术研究[J]. 船电技术, 2021, 41(3): 1-6.

[4] 吴大立, 徐正喜, 潘德华, 罗伟, 姜波. 基于混合型限流熔断器的船舶直流电力系统保护技术研究[J]. 船电技术, 2012, 32(12): 1-3.

[5] Schmerda R, Cuzner R, and Clark R, et al. Shipboard solid-state protection: overview and applications [J]. IEEE Electrification Magazine, 2013, 1(1): 32-39.

[6] 刘思奇, 胡鹏飞, 江道灼,等. 中压船舶直流供电系统限流开断技术[J]. 电工技术学报, 2021, 36(S01): 14.

[7] 戴超, 庄劲武, 杨峰, 陈搏, 王晨, 江状贤. 大电流电弧触发式混合限流熔断器分析与设计[J]. 电力自动化设备, 2011, 31(10): 81-85.

Study on the impact of short circuit recovery overvoltage on system protection of marine DC grid

Yan Lun1, 2, Wu Dali1, 2, Li Wenhua1, 2

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2. Hubei Key Laboratory of Marine Electromagnetic Detection and Control, Wuhan 430205, China)

U665

A

1003-4862（2023）10-0037-04

2023-02-09

鄢伦(1992-)，男，工程师。主要从事船舶电力系统分析与设计研究工作。E-mail: yanl719@163.com