專利名稱：船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障切除可變電抗器精確投切方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種供電裝置單相接地故障有選擇性切除中可變電抗器精確投切的方法，主要用于船舶岸電系統(tǒng)，可以在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時有選擇性的快速切除故障。
背景技術(shù)：
船舶交流供電系統(tǒng)通常采用三相三線制IT系統(tǒng)，供電連續(xù)性高，但需經(jīng)降壓變壓器才能獲得單相220V交流電源，增加了建設(shè)及維修成本，投資較大。目前港口碼頭大都采用三相四線直接接地系統(tǒng)，投資小，但供電連續(xù)性不高。由于港口碼頭單相用電負(fù)荷量大， 故采用三相四線直接接地系統(tǒng)，不必加裝降壓變壓器，可直接從系統(tǒng)獲得單相220V電源， 經(jīng)濟(jì)性好。但港口碼頭供電系統(tǒng)均采用中心點(diǎn)直接接地方式，供電連續(xù)性不高。船舶靠岸， 如直接由碼頭供電系統(tǒng)供電時，由于船舶外殼與地相連，所以船舶岸電相當(dāng)于是直接接地系統(tǒng)，無論是船舶發(fā)生單相接地故障(經(jīng)常發(fā)生)，還是碼頭發(fā)生單相接地故障，接地故障電流都很大，會導(dǎo)致系統(tǒng)中配電斷路器發(fā)生短路跳間，這種跳間無選擇性且經(jīng)常發(fā)生越級跳閘，使停電范圍擴(kuò)大，并燒蝕空氣斷路器主觸頭。此種情況在船舶駐泊維修時發(fā)生的概率非常大，對于供電連續(xù)性要求較高的船舶是不允許的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提出一種船舶岸電系統(tǒng)單相接地后選擇性切除可變電抗器精確投切的方法，通過智能斷路器和電力電子開關(guān)的協(xié)同工作，使可變電抗器在最佳時刻投入電路， 快速可靠切除故障，保證供電系統(tǒng)安全可靠，降低碼頭供電系統(tǒng)向靠港船舶供電的成本。船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障有選擇性切除可變電抗器精確投切方法是在船舶岸電系統(tǒng)的中性點(diǎn)與地之間設(shè)置可變電抗器，電力電子開關(guān)與斷路器并聯(lián)后串接在可變電抗器上，使二者協(xié)同工作；當(dāng)需要對可變電抗器進(jìn)行投切時，通過采集中性點(diǎn)對地電壓過零點(diǎn)作為投切時序的參考點(diǎn)，微控制器對電力電子開關(guān)與斷路器進(jìn)行控制，在最佳投切時刻之前Ton -At發(fā)出斷路器投入控制命令并在最佳時刻發(fā)出電力電子開關(guān)投入控制命令，精確投入可變電抗器。斷路器閉合時間可以表示為Ton士 Δ t，其中Ton為典型開通時間，通常為數(shù)十毫秒；Δ t為分散時間，通常為數(shù)毫秒。船舶岸電系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，監(jiān)測中性點(diǎn)對地電壓值，通過微控制器計(jì)算可變電抗器的最佳投入時刻，即提取中性點(diǎn)對地電壓的過零點(diǎn)作為最佳投入時刻的參考點(diǎn)，考慮電力電子開關(guān)的導(dǎo)通時間及電路延遲時間，并進(jìn)行補(bǔ)償，由微控制器發(fā)出信號，保證電力電子開關(guān)在最佳時刻導(dǎo)通，可變電抗器及時投入到系統(tǒng)中，并且控制斷路器在電力電子開關(guān)導(dǎo)通后立即閉合，系統(tǒng)穩(wěn)定后的電流可以從斷路器流過，再控制電力電子開關(guān)截止，完成可變電抗器的投入工作。本發(fā)明基于故障電量的檢測技術(shù)，提取中性點(diǎn)對地電壓過零點(diǎn)作為參考點(diǎn)，并預(yù)測參考點(diǎn)之后中性點(diǎn)對地電壓的變化規(guī)律，跟據(jù)中性點(diǎn)對地電壓的變化規(guī)律，控制電力電子開關(guān)器件與智能斷路器的協(xié)同工作，讓可變電抗器在最佳時刻投入到中性點(diǎn)與地之間，使產(chǎn)生的瞬時電流迅速增大以能觸發(fā)線路斷路器的瞬時脫扣器動作，有選擇性地切除故障。本發(fā)明憑借先進(jìn)的單相接地故障監(jiān)測技術(shù)，提取故障后中性點(diǎn)對地電壓過零點(diǎn)作為參考點(diǎn)，準(zhǔn)確預(yù)測下一個過零點(diǎn)的位置，利用電力電子開關(guān)導(dǎo)通快速、導(dǎo)通時間誤差小和智能斷路器導(dǎo)通阻抗小的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可變電抗器的精確投入。本發(fā)明的關(guān)鍵是電力電子開關(guān)和智能斷路器的協(xié)同控制問題，既要減小對電力電子開關(guān)的損害，又要保持電流的連續(xù)。電力電子開關(guān)器件的導(dǎo)通時間一般在5us以內(nèi)。船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障電流的頻率是工頻50Hz，一個周波是20ms，因此電力電子開關(guān)的導(dǎo)通時間可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為電力電子開關(guān)是瞬時導(dǎo)通的。但由于電力電子開關(guān)導(dǎo)通消耗很大，不能長時間通以大電流。而斷路器導(dǎo)通阻抗小，額定電流大，必須在電力電子開關(guān)接入系統(tǒng)后馬上閉合智能斷路器，并將電力電子開關(guān)截止。受斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，其閉合時間具有分散性，一般的斷路器閉合時間可以表示為Ton士 Δ t，其中Ton為典型開通時間，通常為數(shù)十毫秒；Δ t為分散時間，通常為數(shù)毫秒。微控制器考慮斷路器的開通時間Ton士 At，在發(fā)出電力電子開關(guān)控制信號前Ton - At的時刻發(fā)出智能斷路器閉合信號，這樣可以保證在電力電子開關(guān)導(dǎo)通后的2 Δ t時間內(nèi)斷路器接入系統(tǒng)，電力電子開關(guān)可以在2 Δ t時間后截止。因此，電力電子開關(guān)承受大電流的時間在理想狀態(tài)下的最大值為2 Δ t。使用一個智能斷路器和電力電子開關(guān)相互配合的裝置來投入可變電抗器，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，根據(jù)故障時中性點(diǎn)對地電壓的時序控制電力電子開關(guān)和智能斷路器的導(dǎo)通時刻，使可變電抗器在最佳的時刻投入，保證快速有選擇性切除故障。由于電力電子開關(guān)不能長時間承受大電流，因此在電力電子開關(guān)導(dǎo)通后應(yīng)立即使之能斷路器導(dǎo)通，并控制電力電子開關(guān)截止。本發(fā)明的有益效果是使用本發(fā)明所述的控制方法來控制電力電子開關(guān)和斷路器，可以保證可變電抗器在理想位置投入到中性點(diǎn)與地之間，主要有如下特點(diǎn)。本發(fā)明綜合了電力電子開關(guān)和智能斷路器的自身優(yōu)點(diǎn)，不僅盡量減小電力電子開關(guān)的導(dǎo)通時間，延長了電力電子開關(guān)的使用壽命，而且避免了誤動作。本發(fā)明是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于對供電系統(tǒng)故障監(jiān)測及故障切除的成熟經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)船舶供電系統(tǒng)及港口碼頭供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出專門用于船舶岸電系統(tǒng)的單相接地故障選擇性切除方案，利用繼電保護(hù)原理，在供電系統(tǒng)中性點(diǎn)與地之間接入可變電抗器，系統(tǒng)成為非有效接地系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后通過控制可變電抗器動作，使配電斷路器有選擇性的跳閘，快速切除故障，保證系統(tǒng)供電的連續(xù)可靠性。在系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，當(dāng)可變電抗器在故障電流過零點(diǎn)投入系統(tǒng)時，能夠在電路中快速產(chǎn)生最大的沖擊電流，確保配電斷路器瞬時脫扣器動作；可變電抗器及時退出系統(tǒng)，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響最小。在可變電抗器的投入過程中一般使用框架式斷路器，受斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，其觸頭動作時間有一定的分散性，導(dǎo)致可變電抗器實(shí)際投入時間不穩(wěn)定， 且不是固定值。因此在實(shí)際系統(tǒng)中，單純使用智能斷路器往往不能在所需的時刻對可變電抗器進(jìn)行投入，實(shí)際投入時刻不能精確控制，最終導(dǎo)致斷路器可能誤動作或不動作，且熔斷器也不一定熔斷，達(dá)不到快速切除故障的目的。本發(fā)明是為了解決實(shí)際系統(tǒng)中可變電抗器可靠性投入問題，通過使用電力電子開關(guān)器件來配合傳統(tǒng)智能斷路器協(xié)同工作，可以保證可變電抗器在要求的時間位置投入到系統(tǒng)中，充分利用了電力電子開關(guān)導(dǎo)通快速、導(dǎo)通時間誤差小和智能斷路器導(dǎo)通阻抗低的特點(diǎn)，使得本方案既具有導(dǎo)通時間短，又有導(dǎo)通電流大的優(yōu)勢。


圖1船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障選擇性切除精確控制框2電力電子開關(guān)與斷路器控制時序圖
具體實(shí)施方案
船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障選擇性切除可變電抗器精確投切方案，根據(jù)采集的中性點(diǎn)對地電壓來選取參考點(diǎn)，并預(yù)測其變化規(guī)律，按照本發(fā)明控制電力電子開關(guān)配合智能斷路器在最佳時刻導(dǎo)通，把可變電抗器接入系統(tǒng)，從而觸發(fā)配電斷路器瞬時脫扣器動作，實(shí)現(xiàn)快速有選擇性切除故障。在選擇性切除時，若使用普通的斷路器來投入可變電抗器，則可變電抗器實(shí)際接入的時刻不穩(wěn)定，不能很好地實(shí)現(xiàn)快速選擇性切除。本方案中，采用電力電子開關(guān)與智能斷路器協(xié)同投入可變電抗器，按照一定的控制方法可以保證可變電抗器能夠在最佳時刻投入到電路中，使之產(chǎn)生最大的沖擊電流，以觸發(fā)配電斷路器瞬時脫扣器動作，實(shí)現(xiàn)快速有選擇切除單相接地故障。本方案的關(guān)鍵是電力電子開關(guān)和智能斷路器的協(xié)同控制問題，適當(dāng)?shù)目刂品椒梢允箍勺冸娍蛊鞯耐度霑r刻精確并且穩(wěn)定。系統(tǒng)具體應(yīng)用的例子為船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障選擇性切除精確控制模型如圖1所示，智能斷路器與電力電子開關(guān)并聯(lián)共同控制可變電抗器的投入。船舶岸電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，控制器對斷路器和電力電子開關(guān)進(jìn)行協(xié)同控制，使可變電抗器在最佳時刻投入系統(tǒng)。電力電子開關(guān)與智能斷路器協(xié)同控制時序如圖2所示，控制器檢測到中性線對地電壓的變化，通過計(jì)算得出其變化規(guī)律，選取參考點(diǎn)，根據(jù)斷路器的時延預(yù)測一個最佳的投入時刻，在最佳投入時刻發(fā)出信號開通電力電子開關(guān)。由于電力電子開關(guān)的開通時間相對于工頻一個周波的時間可以忽略，可以認(rèn)為電力電子開關(guān)是在最佳時刻導(dǎo)通的，因此應(yīng)提前Ton - Δ t時間發(fā)出斷路器合閘信號(其中Ton為斷路器典型開通時間，Δ t為最大分散時間)，保證斷路器能夠在電力電子開關(guān)開通后的2 Δ t時間內(nèi)閉合。通過上述的控制，可以保證可變電抗器能夠在所需的時刻準(zhǔn)確的投入到系統(tǒng)中，在發(fā)生故障的相線路中迅速產(chǎn)生最大暫態(tài)電流，觸發(fā)離接地故障點(diǎn)最近的配電斷路器瞬時脫扣器動作，實(shí)現(xiàn)快速有選擇切除故障。
權(quán)利要求
1.船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障切除可變電抗器精確投切方法，船舶岸電系統(tǒng)的中性點(diǎn)與地之間設(shè)置可變電抗器，其特征是電力電子開關(guān)與斷路器并聯(lián)后串接在可變電抗器上， 使二者協(xié)同工作；測量采集中性點(diǎn)對地電壓值；當(dāng)需要對可變電抗器進(jìn)行投入時，通過采集故障電流來選取投入時序的參考點(diǎn)，對電力電子開關(guān)與智能斷路器進(jìn)行控制，在最佳投入時刻之前Ton- Δ t發(fā)出智能斷路器合閘控制命令并在最佳時刻發(fā)出電力電子開導(dǎo)通控制命令，精確投入可變電抗器；斷路器閉合時間表示為Ton士 Δ t，其中Ton為典型開通時間，通常為數(shù)十毫秒；Δ t為分散時間，通常為數(shù)毫秒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障切除可變電抗器精確投切方法， 其特征是測量采集中性點(diǎn)對地電壓值，通過微控制器計(jì)算可變電抗器的最佳投入時刻，即提取故障時中性點(diǎn)對地電壓的過零點(diǎn)作為最佳投入時刻的參考點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障切除可變電抗器精確投切方法， 其特征是系統(tǒng)穩(wěn)定后的電流從斷路器流過，即接地故障未切除，先控制電力電子開關(guān)截止后，再控制斷路器跳閘，完成可變電抗器的切除工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障切除可變電抗器精確投切方法， 其特征是可變電抗器切換到后級，再次進(jìn)行投入，直至故障切除。
全文摘要
船舶岸電系統(tǒng)單相接地故障切除可變電抗器精確投切方法，船舶岸電系統(tǒng)的中性點(diǎn)與地之間設(shè)置可變電抗器，其電力電子開關(guān)與斷路器并聯(lián)后串接在可變電抗器上，使二者協(xié)同工作；測量采集中性點(diǎn)對地電壓值；當(dāng)需要對可變電抗器進(jìn)行投入時，通過采集故障電流來選取投入時序的參考點(diǎn)，對電力電子開關(guān)與智能斷路器進(jìn)行控制，在最佳時刻之前Ton-△t發(fā)出智能斷路器合閘控制命令并在最佳時刻發(fā)出電力電子開導(dǎo)通控制命令，精確投入可變電抗器；斷路器閉合時間表示為Ton±△t，其中Ton為典型開通時間，通常為數(shù)十毫秒；△t為分散時間，通常為數(shù)毫秒。
文檔編號H02H7/26GK102347604SQ20111019967
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者丁建興, 馮偉, 葉小松, 吳振飛, 崔陳華, 徐曄, 楊濤, 沈巍, 王金全, 邢鳴 申請人:江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司, 王金全