طراحی یک سیستم حفاظتی مبتنی بر کلید فیوز برای سیستم توزیع انرژی الکتریکی کشتی با ساختار ناحیه‌ای

محورهای موضوعی : مهندسی برق قدرت

مهدی محمدزمانی ¹ , ایمان صادق خانی ² , مجید معظمی ³

1 - مرکز تحقیقات ریزشبکه‌های هوشمند، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران|دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران
2 - مرکز تحقیقات ریزشبکه‌های هوشمند، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران|دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران
3 - مرکز تحقیقات ریزشبکه‌های هوشمند، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران|دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

تاریخ دریافت : 1401/12/11 تاریخ پذیرش : 1402/01/26 تاریخ انتشار : 1402/06/01

کلید واژه: کلید فیوز, سیستم زمین, سیستم برق کشتی, جداسازی خطا, هماهنگی حفاظتی,

چکیده مقاله :

یکی از مهمترین چالش‌های پیش روی سیستم‌های انتقال قدرت الکتریکی کشتی مدرن با ساختار ناحیه‌ای، حفاظت آنها در شرایط وقوع خطا به منظور حفظ پایداری و قابلیت اطمینان در سطح قابل قبول می‌باشد. عدم آشکارسازی خطا و جدا کردن قسمت معیوب در زمان مناسب عواقب فاجعه آمیزی برای سیستم‌ انتقال قدرت الکتریکی کشتی در پی دارد. نیاز به قابلیت اطمینان بالای کشتی‌های مدرن، منجر به توسعه ساختار ناحیه‌ای برای سیستم توزیع انرژی الکتریکی کشتی شده است. هدف این مقاله ارائه یک طرح حفاظتی کارا برای کلیه قسمت‌های سیستم توزیع برق کشتی با ساختار ناحیه‌ای و از نوع ترکیبی جریان متناوب-جریان مستقیم است. در روش پیشنهادی، حفاظت در برابر خطاهای تکفاز به زمین با بهره‌گیری از سیستم زمین مقاومت-بالا و تایمر انجام می‌شود در حالیکه جریان خطاهای دو فاز و سه فاز با استفاده از کلید-فیوز قطع می‌شود. استفاده از سیستم زمین با مقاومت بالا امکان عملکرد بدون وقفه سیستم برق کشتی را در هنگام وقوع خطاهای تکفاز به زمین فراهم می‌کند. بدلیل عدم استفاده از رله‌های حفاظتی، هزینه اجرای طرح پیشنهادی کم است. طرح حفاظت پیشنهادی شامل حفاظت اصلی و پشتیبان بوده و به زیرساخت مخابراتی نیاز ندارد. همچنین کلیه اجزای سیستم برق کشتی شامل ژنراتور، موتور پیشران، باسبار، فیدر، خط، بار و شبکه جریان مستقیم در طرح پیشنهادی در نظرگرفته شده‌اند. عملکرد هماهنگ طرح حفاظت پیشنهادی با استفاده از مدل یک سیستم تست برق کشتی با ساختار ناحیه‌ای در نرم افزار ETAP مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

چکیده انگلیسی:

The need for high reliability of modern ships has led to the development of a zonal structure for their electrical distribution systems. One of the most important challenges of the electric distribution systems of modern ships with a zonal structure is their protection in the event of a fault to maintain stability and reliability at an acceptable level. Failure to detect the fault and to isolate the faulty section at the proper time has disastrous consequences for the shipboard electrical system. This paper aims to present an effective protection scheme for all equipment of the hybrid AC/DC distribution system of ships with a zonal structure. In the proposed scheme, protection against single-phase to ground faults is performed using a high-resistance grounding system and timer, while the current of two-phase and three-phase faults is cleared using the fuse-isolator-switches. The use of a high-resistance grounding system allows uninterrupted operation of the ship's electrical system when single-phase to ground faults occur. Due to not using protective relays, the cost of the proposed scheme implementation is low. The proposed protection scheme includes primary and backup protections and does not require communication infrastructure. Also, all equipment of the ship's electrical system including generator, propulsion motor, busbar, feeder, line, load, and direct current system are considered in the proposed scheme. The coordinate operation of the developed protection scheme is assessed on the ETAP simulation model of a test zonal electrical system of the ship.

منابع و مأخذ:

1. T. Zhou, Q. Hu, Z. Hu, and R. Zhen, “An adaptive hyper parameter tuning model for ship fuel consumption prediction under complex maritime environments,” Journal of Ocean Engineering and Science, vol. 7, no. 3, pp. 255-263, 2022, doi: 10.1016/J.JOES.2021.08.007.


2. J. Barreiro, S. Zaragoza, and V. Diaz-Casas, “Review of ship energy efficiency,” Ocean Engineering, vol. 257, p.111594, 2022, doi: 10.1016/J.OCEANENG.2022.111594.


3. H. Daniel, J.P.F. Trovão, and D. Williams, “Shore power as a first step toward shipping decarbonization and related policy impact on a dry bulk cargo carrier,” eTransportation, vol. 11, p. 100150, 2022, doi: 10.1016/J.ETRAN.2021.100150.


4. J. Hou, J. Sun, and H.F. Hofmann, “Mitigating power fluctuations in electric ship propulsion with hybrid energy storage system: Design and analysis,” IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 43, no. 1, pp.93-107, 2017, doi: 10.1109/JOE.2017.2674878.


5. K.L. Butler, N.D.R. Sarma, C. Whitcomb, H. Do Carmo, and H. Zhang, “Shipboard systems deploy automated protection,” IEEE Computer Applications in Power, vol. 11, no. 2, pp. 31-36, Apr. 1998, doi: 10.1109/67.659624.


6. G. Ulissi, S.Y. Lee, D. Dujic, “Solid-state bus-tie switch for shipboard power distribution networks,” IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 6, pp. 1253–1264, 2020, doi: 10.1109/TTE.2020.2996776.


7. N. Bayati, H.R. Baghaee, A. Hajizadeh, and M. Soltani, “Localized protection of radial DC microgrids with high penetration of constant power loads,” IEEE Systems Journal, vol. 15, pp. 4145–4156, 2020, DOI:10.1109/JSYST.2020.2998059.


8. N. Bayati, F. Aghaee, and S.H. Sadeghi, “The adaptive and robust power system protection schemes in the presence of DGs,” International Journal of Renewable Energy Research, vol. 9, pp. 732–740, 2019, doi: 10.20508/IJRER.V9I2.9154.G7642.


9. Y. Wang, Z. Xu, and D. Wu, “Coordination between inverter short-circuit characteristics and overcurrent protection for shipboard electrical systems,” in IEEE 2nd Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference (IAEAC), pp. 2634–2638, 2017, doi: 10.1109/IAEAC.2017.8054502.


10. Y. Gong, Y. Huang, and N.N. Schulz, “Integrated Protection System Design for Shipboard Power System,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 44, no. 6, pp. 1930- 1936, Nov 2008, doi: 10.1109/TIA.2008.2006320.


11. J. Tang and P. McLaren, “A wide area differential backup protection scheme for shipboard application,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 21, no. 3, pp. 1183–1190, 2006, doi: 10.1109/TPWRD.2005.860272.


12. M. Babaei, J. Shi, and S. Abdelwahed, “A survey on fault detection, isolation, and reconfiguration methods in electric ship power systems,” IEEE Access, vol. 6, pp. 9430–9441, 2018, doi: 10.1109/ACCESS.2018.2798505.


13. E. Christopher, M. Sumner, D.W.P. Thomas, X. Wang, and F. de Wildt, “Fault location in a zonal DC marine power system using active impedance estimation,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 49, no. 2, pp. 860–865, 2013, doi: 10.1109/TIA.2013.2243391.


14. W. Li, A. Monti, and F. Ponci, “Fault detection and classification in medium voltage DC shipboard power systems with wavelets and artificial neural networks,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 63, no. 11, pp. 2651–2665, 2014, doi: 10.1109/TIM.2014.2313035.


15. O.A. Amoda and N.N. Schulz, “An adaptive protection scheme for shipboard power systems,” in IEEE Electric Ship Technologies Symposium, pp. 225–230, 2007, doi: 10.1109/ESTS.2007.372090.


16. M. Fang, L. Fu, Z. Ye, and L. Hu, “Intelligent protection system design for shipboard power system,” in International Conference on Advanced Power System Automation and Protection, vol. 2, pp. 1562–1567, 2011, doi: 10.1109/ESTS.2005.1524681.


17. J. Wang, M. Sumner, D. Thomas, and R. Geertsma, “Active fault protection for an AC zonal marine power system,” IET Electrical Systems in Transportation, vol. 1, pp. 156–166(10), Dec. 2011, doi: 10.1109/08IAS.2008.282.


18. D. Whitehead and N. Fischer, “Advanced Commercial Power System Protection Practices Applied to Naval Medium Voltage Power Systems,” in IEEE Electric Ship Technologies Symposium, Aug. 2005, doi:10.1109/ESTS.2005.1524713.


19. H. Douglas, P. Pillay, and T. Ortmeyer, “The application of wavelets to shipboard power system protection,” in IEEE Electric Ship Technologies Symposium, pp. 432–436, 2005, doi: 10.1109/ESTS.2005.1524711.