[发明专利]船舶直流综合电力推进系统的保护设计方法

权利要求书

1.一种船舶直流综合电力推进系统的保护设计方法，数台同步发电机组的输出交流电，通过二极管整流模块或IGBT整流模块整流转换为直流电后，直流电通过熔断器后并联在直流母线上，发电机组采用变转速或者恒转速运行方式；蓄电池组或超级电容通过DC/DC变频单元转换直流电压后，通过熔断器并联在直流母线上；直流母线分左舷直流母线和右舷直流母线，左右舷两个直流母线中间通过串联直流固态断路器或熔断器带隔离开关连接；负载包括数台主推进电机和日用负载，分别通过逆变单元和熔断器后接在直流母线上；

其特征在于，首先，对所述船舶直流综合电力推进系统进行短路电流等效计算：将故障时刻的IGBT整流模块、DC/DC变频单元、逆变单元等效成电容、电阻和电感，故障时刻的连接导线和铜排等效成电阻和电感，故障时刻的直流固态断路器、熔断器等效成电阻；在此基础上搭建直流综合电力推进系统等效电路模型，以此等效电路进行仿真，计算整个系统的各短路点在短路时刻的电流；然后，电流的时间特性作为计算短路点对应每个熔断器I²t值的输入参数，为与直流母线连接的各熔断器、左右舷直流母线之间连接的直流固态断路器或熔断器的直流短路故障选择性设计提供选型依据；

所述船舶直流综合电力推进系统的直流母线故障类型分为六类：第一类为发电机内部短路或发电机到整流模块之间的连接电缆损坏故障，第二类为直流母线故障，第三类为接入直流母线的各个模块单元故障，第四类为主推进电机侧故障，第五类为日用负载侧故障，第六类为接地故障；

1）第一类故障设计：针对同步发电机整流模块采用IGBT可控整流和二极管不控整流两种设计方案；

1.1）当整流模块采用IGBT可控整流方案时，在发电机内部或其引出线发生故障的情况下，首先IGBT模块快速检测到短路故障，瞬时保护；此时由于IGBT续流二极管的单向导通特性，故障点的故障电流由发电机本身贡献的故障电流和直流母线电容通过IGBT续流二极管向短路点贡献短路电流两部分组成，此时无论左右舷直流母线之间连接采用的是直流固态断路器还是熔断器带隔离开关，首先，故障发生时直流固态断路器快速分闸或者熔断器快速熔断，发电机保护单元通过发电机侧电流互感器检测到故障电流，以故障发生在发电机和整流器之间的电缆上时检测到三相电流或者三相电压不平衡作为故障判据，同时发电机保护单元检测左右舷直流母线之间连接的熔断器或直流固态断路器已动作后，发电机保护单元通过发送给发电机励磁系统灭磁信号来实现发电机的短路和过载保护动作，同时发电机保护装置检测发电机绕组温度作为后备保护，保证短路故障时只有一侧被影响，实现系统保护选择性方案；

1.2）当整流模块采用二极管不控整流方案时：此时故障点的故障电流只有发电机本身贡献的故障电流，发电机保护单元通过发电机侧电流互感器检测到故障电流，当故障发生在发电机和整流器之间的电缆上时检测到三相电流或者三相电压不平衡作为故障判据，发电机保护单元通过发送给发电机励磁系统灭磁信号来实现发电机的短路和过载保护动作，同时发电机保护装置检测发电机绕组温度作为后备保护，直流母线左右舷连接的熔断器或者直流固态断路器均不动作，实现系统保护选择性方案；

2）第二类故障设计：当直流母线发生短路故障时，提出的两种解决方案，

2.1）左右舷直流母线之间连接采用固态直流断路器，在直流母线短路情况下，固态直流断路器快速动作，此后故障母线侧所有与直流母线连接的熔断器将根据自身动作特性动作，为保证故障可靠物理隔离，综合控制系统将分断直流母线上的机械式隔离开关，从而保证非故障侧系统的正常运行，此后故障侧系统会由于欠压故障所有设备停机；

2.2）左右舷直流母线之间连接采用熔断器带隔离开关，在直流母线短路情况下快速动作，通过对系统各短路点的短路电流计算和对短路电流进行积分计算分析，对与直流母线连接各熔断器选取合理的弧前I²t值，故障发生时，只将连接左右舷直流母线之间的熔断器可靠熔断，而非故障与直流母线连接的各熔断器能躲过故障情况下电容放电的电流峰值不被熔断，从而保证非故障侧系统的正常运行，此后故障侧系统会由于欠压故障所有设备停机，实现直流系统的选择性保护方案；

3）第三类故障设计：当接入直流母线的各个模块单元直流侧发生故障时，此时直流母线侧故障模块单元内部的支撑电容会快速放电，将产生一个峰值高且时常数极小的故障电流，通过对系统各模块单元短路点的短路电流进行等效仿真计算和对短路电流进行积分计算分析，对各模块单元前端与直流母线连接的熔断器选取合理的弧前I²t值，选定不同参数的熔断器；

根据左右舷直流母线之间连接采用的是固态直流断路器还是熔断器带隔离开关进行设计，如果采用的是固态直流断路器连接，当某个模块发生短路故障时，固态直流断路器先动作，确保非故障侧母线系统不受任何影响，继续可靠运行，而故障侧母线系统只将故障模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，此时该段母线的非故障变频模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过故障情况下电容放电的电流峰值不被熔断，保证系统的选择性保护方案；

如果采用的是熔断器带隔离开关连接，当某个模块发生短路故障时，只将故障模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，而非故障模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过本模块故障情况下电容放电的电流峰值不被熔断；考虑各模块直流侧发生短路故障时，其效果实质上等价于母线短路，此时直流母线电压会快速跌落，需保证故障模块前端与直流母线连接的熔断器熔断时，直流母线电压不会跌落到各变频模块的欠压保护值，实现直流系统的选择性保护方案的同时，船舶不会出现失电现象发生,保证了船舶电力系统的可靠运行；

4）第四类故障设计：推进电机内部短路或推进电机连接电缆短路，由于逆变单元采用了IGBT逆变单元，可瞬时保护，不影响其它系统；

5）第五类故障设计：日用电网侧的配电板的交流电路发生短路时，在设计时日用电源逆变模块作为止电源模块，会持续提供最大的无功电流维持5s，以切断下级短路故障支路的断路器及大负载启动时可能带来的冲击电流，不会导致直流配电板日用逆变模块跳闸，此时直流母线不会产生任何短路电流，直流母线和交流日用配电板的故障协调性分析互相独立；

6）第六类故障设计：直流系统的接地故障保护由安装在直流配电板内两侧的绝缘监测仪和综合控制系统共同实现，绝缘监测仪将监测绝缘电阻值分级发送给综合控制系统，左右舷直流母线之间连接是固态直流断路器，综合控制系统报警或发出左右舷固态断路器分闸信号；如果左右舷直流母线之间连接的是熔断器带隔离开关，综合控制系统报警或发出左右舷熔断器带隔离开关分闸信号；待故障排除后，由综合控制系统发出左右舷直流母线之间连接固态直流断路器或熔断器带隔离开关合闸信号，回复原工作状态；推进电机侧的接地故障保护由相应逆变模块完成，日用配电板安装有绝缘监测仪，用于完成对交流侧日用电网的绝缘监测。