專利名稱：船舶岸電系統單相接地故障切除可變電抗器精確投切方法
技術領域：
本發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，可以在系統發生單相接地故障時有選擇性的快速切除故障。
背景技術：
船舶交流供電系統通常采用三相三線制IT系統，供電連續性高，但需經降壓變壓器才能獲得單相220V交流電源，增加了建設及維修成本，投資較大。目前港口碼頭大都采用三相四線直接接地系統，投資小，但供電連續性不高。由于港口碼頭單相用電負荷量大， 故采用三相四線直接接地系統，不必加裝降壓變壓器，可直接從系統獲得單相220V電源， 經濟性好。但港口碼頭供電系統均采用中心點直接接地方式，供電連續性不高。船舶靠岸， 如直接由碼頭供電系統供電時，由于船舶外殼與地相連，所以船舶岸電相當于是直接接地系統，無論是船舶發生單相接地故障(經常發生)，還是碼頭發生單相接地故障，接地故障電流都很大，會導致系統中配電斷路器發生短路跳間，這種跳間無選擇性且經常發生越級跳閘，使停電范圍擴大，并燒蝕空氣斷路器主觸頭。此種情況在船舶駐泊維修時發生的概率非常大，對于供電連續性要求較高的船舶是不允許的。
發明內容
本發明的目的是，提出一種船舶岸電系統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的協同工作，使可變電抗器在最佳時刻投入電路， 快速可靠切除故障，保證供電系統安全可靠，降低碼頭供電系統向靠港船舶供電的成本。船舶岸電系統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的中性點與地之間設置可變電抗器，電力電子開關與斷路器并聯后串接在可變電抗器上，使二者協同工作；當需要對可變電抗器進行投切時，通過采集中性點對地電壓過零點作為投切時序的參考點，微控制器對電力電子開關與斷路器進行控制，在最佳投切時刻之前Ton -At發出斷路器投入控制命令并在最佳時刻發出電力電子開關投入控制命令，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，通常為數十毫秒；Δ t為分散時間，通常為數毫秒。船舶岸電系統發生接地故障后，監測中性點對地電壓值，通過微控制器計算可變電抗器的最佳投入時刻，即提取中性點對地電壓的過零點作為最佳投入時刻的參考點，考慮電力電子開關的導通時間及電路延遲時間，并進行補償，由微控制器發出信號，保證電力電子開關在最佳時刻導通，可變電抗器及時投入到系統中，并且控制斷路器在電力電子開關導通后立即閉合，系統穩定后的電流可以從斷路器流過，再控制電力電子開關截止，完成可變電抗器的投入工作。本發明基于故障電量的檢測技術，提取中性點對地電壓過零點作為參考點，并預測參考點之后中性點對地電壓的變化規律，跟據中性點對地電壓的變化規律，控制電力電子開關器件與智能斷路器的協同工作，讓可變電抗器在最佳時刻投入到中性點與地之間，使產生的瞬時電流迅速增大以能觸發線路斷路器的瞬時脫扣器動作，有選擇性地切除故障。本發明憑借先進的單相接地故障監測技術，提取故障后中性點對地電壓過零點作為參考點，準確預測下一個過零點的位置，利用電力電子開關導通快速、導通時間誤差小和智能斷路器導通阻抗小的優點，實現可變電抗器的精確投入。本發明的關鍵是電力電子開關和智能斷路器的協同控制問題，既要減小對電力電子開關的損害，又要保持電流的連續。電力電子開關器件的導通時間一般在5us以內。船舶岸電系統單相接地故障電流的頻率是工頻50Hz，一個周波是20ms，因此電力電子開關的導通時間可以忽略不計，可以認為電力電子開關是瞬時導通的。但由于電力電子開關導通消耗很大，不能長時間通以大電流。而斷路器導通阻抗小，額定電流大，必須在電力電子開關接入系統后馬上閉合智能斷路器，并將電力電子開關截止。受斷路器機械結構的影響，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，通常為數十毫秒；Δ t為分散時間，通常為數毫秒。微控制器考慮斷路器的開通時間Ton士 At，在發出電力電子開關控制信號前Ton - At的時刻發出智能斷路器閉合信號，這樣可以保證在電力電子開關導通后的2 Δ t時間內斷路器接入系統，電力電子開關可以在2 Δ t時間后截止。因此，電力電子開關承受大電流的時間在理想狀態下的最大值為2 Δ t。使用一個智能斷路器和電力電子開關相互配合的裝置來投入可變電抗器，當系統發生單相接地故障時，根據故障時中性點對地電壓的時序控制電力電子開關和智能斷路器的導通時刻，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。由于電力電子開關不能長時間承受大電流，因此在電力電子開關導通后應立即使之能斷路器導通，并控制電力電子開關截止。本發明的有益效果是使用本發明所述的控制方法來控制電力電子開關和斷路器，可以保證可變電抗器在理想位置投入到中性點與地之間，主要有如下特點。本發明綜合了電力電子開關和智能斷路器的自身優點，不僅盡量減小電力電子開關的導通時間，延長了電力電子開關的使用壽命，而且避免了誤動作。本發明是針對現有技術的不足，基于對供電系統故障監測及故障切除的成熟經驗，根據船舶供電系統及港口碼頭供電系統的特點，設計出專門用于船舶岸電系統的單相接地故障選擇性切除方案，利用繼電保護原理，在供電系統中性點與地之間接入可變電抗器，系統成為非有效接地系統，系統發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，保證系統供電的連續可靠性。在系統發生接地故障后，當可變電抗器在故障電流過零點投入系統時，能夠在電路中快速產生最大的沖擊電流，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，對系統產生的影響最小。在可變電抗器的投入過程中一般使用框架式斷路器，受斷路器機械結構的影響，其觸頭動作時間有一定的分散性，導致可變電抗器實際投入時間不穩定， 且不是固定值。因此在實際系統中，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行投入，實際投入時刻不能精確控制，最終導致斷路器可能誤動作或不動作，且熔斷器也不一定熔斷，達不到快速切除故障的目的。本發明是為了解決實際系統中可變電抗器可靠性投入問題，通過使用電力電子開關器件來配合傳統智能斷路器協同工作，可以保證可變電抗器在要求的時間位置投入到系統中，充分利用了電力電子開關導通快速、導通時間誤差小和智能斷路器導通阻抗低的特點，使得本方案既具有導通時間短，又有導通電流大的優勢。
圖1船舶岸電系統單相接地故障選擇性切除精確控制框2電力電子開關與斷路器控制時序圖
具體實施方案
船舶岸電系統單相接地故障選擇性切除可變電抗器精確投切方案，根據采集的中性點對地電壓來選取參考點，并預測其變化規律，按照本發明控制電力電子開關配合智能斷路器在最佳時刻導通，把可變電抗器接入系統，從而觸發配電斷路器瞬時脫扣器動作，實現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，則可變電抗器實際接入的時刻不穩定，不能很好地實現快速選擇性切除。本方案中，采用電力電子開關與智能斷路器協同投入可變電抗器，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，使之產生最大的沖擊電流，以觸發配電斷路器瞬時脫扣器動作，實現快速有選擇切除單相接地故障。本方案的關鍵是電力電子開關和智能斷路器的協同控制問題，適當的控制方法可以使可變電抗器的投入時刻精確并且穩定。系統具體應用的例子為船舶岸電系統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并聯共同控制可變電抗器的投入。船舶岸電系統發生單相接地故障后，控制器對斷路器和電力電子開關進行協同控制，使可變電抗器在最佳時刻投入系統。電力電子開關與智能斷路器協同控制時序如圖2所示，控制器檢測到中性線對地電壓的變化，通過計算得出其變化規律，選取參考點，根據斷路器的時延預測一個最佳的投入時刻，在最佳投入時刻發出信號開通電力電子開關。由于電力電子開關的開通時間相對于工頻一個周波的時間可以忽略，可以認為電力電子開關是在最佳時刻導通的，因此應提前Ton - Δ t時間發出斷路器合閘信號(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開通后的2 Δ t時間內閉合。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確的投入到系統中，在發生故障的相線路中迅速產生最大暫態電流，觸發離接地故障點最近的配電斷路器瞬時脫扣器動作，實現快速有選擇切除故障。
權利要求
1.船舶岸電系統單相接地故障切除可變電抗器精確投切方法，船舶岸電系統的中性點與地之間設置可變電抗器，其特征是電力電子開關與斷路器并聯后串接在可變電抗器上， 使二者協同工作；測量采集中性點對地電壓值；當需要對可變電抗器進行投入時，通過采集故障電流來選取投入時序的參考點，對電力電子開關與智能斷路器進行控制，在最佳投入時刻之前Ton- Δ t發出智能斷路器合閘控制命令并在最佳時刻發出電力電子開導通控制命令，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，通常為數十毫秒；Δ t為分散時間，通常為數毫秒。
2.根據權利要求1所述的船舶岸電系統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對地電壓值，通過微控制器計算可變電抗器的最佳投入時刻，即提取故障時中性點對地電壓的過零點作為最佳投入時刻的參考點。
3.根據權利要求1所述的船舶岸電系統單相接地故障切除可變電抗器精確投切方法， 其特征是系統穩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.根據權利要求1所述的船舶岸電系統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，再次進行投入，直至故障切除。
全文摘要
船舶岸電系統單相接地故障切除可變電抗器精確投切方法，船舶岸電系統的中性點與地之間設置可變電抗器，其電力電子開關與斷路器并聯后串接在可變電抗器上，使二者協同工作；測量采集中性點對地電壓值；當需要對可變電抗器進行投入時，通過采集故障電流來選取投入時序的參考點，對電力電子開關與智能斷路器進行控制，在最佳時刻之前Ton-△t發出智能斷路器合閘控制命令并在最佳時刻發出電力電子開導通控制命令，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，通常為數十毫秒；△t為分散時間，通常為數毫秒。
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 優先權日2011年7月15日
發明者丁建興, 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:江蘇鎮安電力設備有限公司, 王金全