海軍工程大學電氣工程學院的研究人員黃靖、張曉鋒、葉志浩、張濤，在2019年第19期《電工技術學報》上發表研究新成果，對船舶交流電網三相與兩相短路電流變化率的特性進行理論分析,研究短路合閘角、功率角及線路阻抗等參數對短路電流變化率的影響,分析短路初始階段電流變化率的正負極性與短路故障方向之間的對應關係,在此基礎上,提出基於電流變化率與短路合閘角的短路故障方向綜合判據。應用該判據,通過檢測和比較短路合閘角與短路初始階段電流變化率的正負極性,即可實現短路故障方向的快速判斷,因而對採樣精度要求不高,所需的實時數據量和計算量較少。
隨著船舶電力系統向大型化發展，船舶電網結構呈現網狀化且存在多個電源。當不同短路點發生短路故障時，供電線路上的短路電流饋送方向也將發生變化，使按照固定短路電流饋送方向進行整定的起動電流和延時時間與實際短路電流饋送方向相沖突，導致保護裝置誤動作，嚴重影響保護選擇性的實現。這就要求採取有效方法快速判斷船舶電網短路故障方向，以實現多電源系統短路故障保護動作的選擇性。
針對多電源系統的短路故障方向判斷及相應保護問題，目前主要有功率方向保護方法、電流差動方法、行波保護等多種方法。因船舶電力系統供電面積小，電纜長度短（線路長度＜300m），短路點距保護裝置一般很近，短路殘餘電壓接近零，功率或能量方向保護方法應用於船舶電力系統時，將面臨“電壓死區”問題，無法可靠動作，因而存在適應性問題。
有學者針對含分佈式電源的主動配電網，提出一種基於正序故障分量的電流方向元件，利用電流正序故障分量和正序故障分量定義的基準量之間的相位差來判別故障方向，無需檢測電壓信號。但該方法在具體實施時，需檢測完整工頻週期的電流信息，並需要進行兩次電流序列微分計算以獲得相位差信息，計算量較大，方向判斷的快速性存在一定不足。
差動保護方法基於基爾霍夫電流定律，原理簡單可靠，具有完備的保護選擇性，近年來已在船舶電力系統中得到廣泛應用。但差動保護方法對線路兩端保護裝置的實時電流信號採集和傳輸的同步性要求較高，同步時間誤差將對差動保護動作準確性造成不利影響。
- 有學者提出了基於相量集合的站域差動保護算法，採用各支路的電流同步相量集合進行差動保護邏輯計算，依此計算出差動電流和制動電流，改善了由於採樣信息不同步所導致的保護誤動或拒動問題。
- 有學者針對分佈式發電配電網，提出了一種基於相位變化量的縱聯保護方案，合理避免了同步誤差對保護制動特性的影響，提高了相移制動能力。但該方法需要使用負荷電流作為同步參考相量，存在空載合閘到故障線路時的保護死區問題。
- 有學者針對主動配電網饋線差動保護方法，通過計算各饋線終端單元（Feeder Terminal Unit, FTU）故障電流的動態時間彎曲（Dynamic Time Warping, DTW）距離確定區段內部或外部故障，具有良好的抗同步誤差能力。但由於該方法需要各FTU相互交換1個工頻周波的故障電流採樣數據，數據通信量偏大，保護快速性存在不足。
- 有學者提出了基於線路兩端故障電流分量相位差的快速差動保護方案，建立了決策樹以確定短路故障類型，同時區分區外或區內故障，但仍面臨電流信號採集同步誤差問題。
行波保護利用輸電線路短路故障時產生的暫態行波在母線與故障點之間多次折反射而形成的故障高頻暫態量，通過分析故障信號的幅值、極性、方向等豐富信息實現高速暫態保護，可大致分為行波方向式保護、行波差動保護和行波距離保護等類型。
由於船舶電力網絡線路長度遠遠小於陸地輸電網絡，船舶電網故障初始行波和反射行波信號到達檢測點的傳輸時延極小，極易出現混疊情況，難以保證短路方向判斷和故障測距的準確性，故障行波保護方案應用於船舶電力系統較為困難。
為解決以上問題，海軍工程大學電氣工程學院的研究人員黃靖、張曉鋒、葉志浩、張濤，在2019年第19期《電工技術學報》上發表研究新成果（論文標題為“基於電流變化率與短路合閘角綜合判據的船舶交流電網短路故障方向判斷”），研究團隊通過對船舶電網三相和兩相短路電流初始變化率的數學推導與實例計算，得到了短路電流變化率隨短路合閘角、發電機功率角、短路線路長度變化的規律，並利用短路電流變化率正負極性與短路故障方向的對應關係，提出了基於電流變化率和短路合閘角綜合判據的短路故障方向判斷方法。
本方法可在短路電流到達峰值前完成短路故障及其方向判斷，無需檢測短路殘餘電壓，無需考慮兩側電流檢測一致性和時間同步要求，對線路參數的精度要求不高，對信號採樣精度要求不高，所需的實時採集信息量較少，因而在保護的快速性、靈敏性和可靠性方面具有一定優勢，具有良好的工程應用前景。
圖6 短路方向辨別原理示意圖
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