专利名称：船舶岸电系统单相接地故障切除可变电抗器精确投切装置的制作方法
技术领域：
本实用 新型涉及一种供电装置单相接地故障有选择性切除中可变电抗器精确投切的装置，主要用于船舶岸电系统，可以在系统发生单相接地故障时有选择性的快速切除故障。
背景技术：
船舶交流供电系统通常采用三相三线制IT系统，供电连续性高，但需经降压变压器才能获得单相220V交流电源，增加了建设及维修成本，投资较大。目前港口码头大都采用三相四线直接接地系统，投资小，但供电连续性不高。由于港口码头单相用电负荷量大，故采用三相四线直接接地系统，不必加装降压变压器，可直接从系统获得单相220V电源，经济性好。但港口码头供电系统均采用中心点直接接地方式，供电连续性不高。船舶靠岸，如直接由码头供电系统供电时，由于船舶外壳与地相连，所以船舶岸电相当于是直接接地系统，无论是船舶发生单相接地故障(经常发生)，还是码头发生单相接地故障，接地故障电流都很大，会导致系统中配电断路器发生短路跳闸，这种跳闸无选择性且经常发生越级跳闸，使停电范围扩大，并烧蚀空气断路器主触头。此种情况在船舶驻泊维修时发生的概率非常大，对于供电连续性要求较高的船舶是不允许的。
发明内容本实用新型的目的是，提出一种船舶岸电系统单相接地后选择性切除可变电抗器精确投切的装置，通过智能断路器和电力电子开关的协同工作，使可变电抗器在最佳时刻投入电路，快速可靠切除故障，保证供电系统安全可靠，降低码头供电系统向靠港船舶供电的成本。船舶岸电系统单相接地故障有选择性切除可变电抗器精确投切装置，在船舶岸电系统的中性点与地之间设置可变电抗器，设有电力电子开关与断路器并联后串接在可变电抗器上，使二者协同工作；当需要对可变电抗器进行投切时，通过采集中性点对地电压过零点作为投切时序的参考点，微控制器对电力电子开关与断路器进行控制，在最佳投切时刻之前Ton -At发出断路器投入控制命令并在最佳时刻发出电力电子开关投入控制命令，精确投入可变电抗器。断路器闭合时间可以表示为Ton土 Λ t，其中Ton为典型开通时间，通常为数十毫秒；Λ t为分散时间,通常为数毫秒。船舶岸电系统发生接地故障后，监测中性点对地电压值，通过微控制器计算可变电抗器的最佳投入时刻，即提取中性点对地电压的过零点作为最佳投入时刻的参考点，考虑电力电子开关的导通时间及电路延迟时间，并进行补偿，由微控制器发出信号，保证电力电子开关在最佳时刻导通，可变电抗器及时投入到系统中，并且控制断路器在电力电子开关导通后立即闭合，系统稳定后的电流可以从断路器流过，再控制电力电子开关截止，完成可变电抗器的投入工作。本实用新型基于故障电量的检测技术，提取中性点对地电压过零点作为参考点，并预测参考点之后中性点对地电压的变化规律，跟据中性点对地电压的变化规律，控制电力电子开关器件与智能断路器的协同工作，让可变电抗器在最佳时刻投入到中性点与地之间，使产生的瞬时电流迅速增大以能触发线路断路器的瞬时脱扣器动作，有选择性地切除故障。 本实用新型凭借先进的单相接地故障监测技术，提取故障后中性点对地电压过零点作为参考点，准确预测下一个过零点的位置，利用电力电子开关导通快速、导通时间误差小和智能断路器导通阻抗小的优点，实现可变电抗器的精确投入。本实用新型的关键是电力电子开关和智能断路器的协同控制问题，既要减小对电力电子开关的损害，又要保持电流的连续。电力电子开关器件的导通时间一般在5us以内。船舶岸电系统单相接地故障电流的频率是工频50Hz，一个周波是20ms，因此电力电子开关的导通时间可以忽略不计，可以认为电力电子开关是瞬时导通的。但由于电力电子开关导通消耗很大，不能长时间通以大电流。而断路器导通阻抗小，额定电流大，必须在电力电子开关接入系统后马上闭合智能断路器，并将电力电子开关截止。受断路器机械结构的影响，其闭合时间具有分散性，一般的断路器闭合时间可以表示为Ton土 Λ t，其中Ton为典型开通时间，通常为数十毫秒；Λ t为分散时间，通常为数毫秒。微控制器考虑断路器的开通时间Ton土 At，在发出电力电子开关控制信号前Ton - At的时刻发出智能断路器闭合信号，这样可以保证在电力电子开关导通后的2 Δ t时间内断路器接入系统，电力电子开关可以在2 Δ t时间后截止。因此，电力电子开关承受大电流的时间在理想状态下的最大值为2 Λ t。使用一个智能断路器和电力电子开关相互配合的装置来投入可变电抗器，当系统发生单相接地故障时，根据故障时中性点对地电压的时序控制电力电子开关和智能断路器的导通时刻，使可变电抗器在最佳的时刻投入，保证快速有选择性切除故障。由于电力电子开关不能长时间承受大电流，因此在电力电子开关导通后应立即使之能断路器导通，并控制电力电子开关截止。本实用新型的有益效果是使用本实用新型控制电力电子开关和断路器，可以保证可变电抗器在理想位置投入到中性点与地之间，主要有如下特点本实用新型综合了电力电子开关和智能断路器的自身优点，不仅尽量减小电力电子开关的导通时间，延长了电力电子开关的使用寿命，而且避免了误动作。本实用新型是针对现有技术的不足，基于对供电系统故障监测及故障切除的成熟经验，根据船舶供电系统及港口码头供电系统的特点，设计出专门用于船舶岸电系统的单相接地故障选择性切除方案，利用继电保护原理，在供电系统中性点与地之间接入可变电抗器，系统成为非有效接地系统，系统发生单相接地故障后通过控制可变电抗器动作，使配电断路器有选择性的跳闸，快速切除故障，保证系统供电的连续可靠性。在系统发生接地故障后，当可变电抗器在故障电流过零点投入系统时，能够在电路中快速产生最大的冲击电流，确保配电断路器瞬时脱扣器动作；可变电抗器及时退出系统，对系统产生的影响最小。在可变电抗器的投入过程中一般使用框架式断路器，受断路器机械结构的影响，其触头动作时间有一定的分散性，导致可变电抗器实际投入时间不稳定，且不是固定值。因此在实际系统中，单纯使用智能断路器往往不能在所需的时刻对可变电抗器进行投入，实际投入时刻不能精确控制，最终导致断路器可能误动作或不动作，且熔断器也不一定熔断，达不到快速切除故障的目的。本实用新型是为了解决实际系统中可变电抗器可靠性投入问题，通过使用电力电子开关器件来配合传统智能断路器协同工作，可以保证可变电抗器在要求的时间位置投入到系统中，充分利用了电力电子开关导通快速、导通时间误差小和智能断路器导通阻抗低的特点，使得本方案既具有导通时间短，又有导通电流大的优势。
图I船舶岸电系统单相接地故障选择性切除精确控制框图； 图2电力电子开关与断路器控制时序图。
具体实施方案船舶岸电系统单相接地故障选择性切除可变电抗器精确投切方案，根据采集的中性点对地电压来选取参考点，并预测其变化规律，按照本实用新型控制电力电子开关配合智能断路器在最佳时刻导通，把可变电抗器接入系统，从而触发配电断路器瞬时脱扣器动作，实现快速有选择性切除故障。在选择性切除时，若使用普通的断路器来投入可变电抗器，则可变电抗器实际接入的时刻不稳定，不能很好地实现快速选择性切除。本方案中，采用电力电子开关与智能断路器协同投入可变电抗器，按照一定的控制方法可以保证可变电抗器能够在最佳时刻投入到电路中，使之产生最大的冲击电流，以触发配电断路器瞬时脱扣器动作，实现快速有选择切除单相接地故障。本实用新型的关键是电力电子开关和智能断路器的协同控制问题，适当的控制方法可以使可变电抗器的投入时刻精确并且稳定。系统具体应用的例子为船舶岸电系统单相接地故障选择性切除精确控制模型如图I所示，智能断路器与电力电子开关并联共同控制可变电抗器的投入。船舶岸电系统发生单相接地故障后，控制器对断路器和电力电子开关进行协同控制，使可变电抗器在最佳时刻投入系统。电力电子开关与智能断路器协同控制时序如图2所示，控制器检测到中性线对地电压的变化，通过计算得出其变化规律，选取参考点，根据断路器的时延预测一个最佳的投入时刻，在最佳投入时刻发出信号开通电力电子开关。由于电力电子开关的开通时间相对于工频一个周波的时间可以忽略，可以认为电力电子开关是在最佳时刻导通的，因此应提前Ton - Λ t时间发出断路器合闸信号(其中Ton为断路器典型开通时间，Λ t为最大分散时间)，保证断路器能够在电力电子开关开通后的2 Δ t时间内闭合。通过上述的控制，可以保证可变电抗器能够在所需的时刻准确的投入到系统中，在发生故障的相线路中迅速产生最大暂态电流，触发离接地故障点最近的配电断路器瞬时脱扣器动作，实现快速有选择切除故障。
权利要求1.船舶岸电系统単相接地故障切除可变电抗器精确投切装置，其特征是在船舶岸电系统的中性点与地之间设置可变电抗器，电カ电子开关与断路器并联后串接在可变电抗器上。
专利摘要船舶岸电系统单相接地故障切除可变电抗器精确投切装置，船舶岸电系统的中性点与地之间设置可变电抗器，其电力电子开关与断路器并联后串接在可变电抗器上，使二者协同工作；测量采集中性点对地电压值；当需要对可变电抗器进行投入时，通过采集故障电流来选取投入时序的参考点，对电力电子开关与智能断路器进行控制。使用本实用新型控制电力电子开关和断路器，可以保证可变电抗器在理想位置投入到中性点与地之间，综合了电力电子开关和智能断路器的自身优点，不仅尽量减小电力电子开关的导通时间，延长了电力电子开关的使用寿命，而且避免了误动作。
文档编号H02H7/26GK202424145SQ20122000111
公开日2012年9月5日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者丁建兴, 冯伟, 叶小松, 吴振飞, 崔陈华, 徐晔, 杨涛, 沈巍, 王金全, 邢鸣 申请人:江苏镇安电力设备有限公司, 王金全