Vern og selektivitet i maritime DC-systemer
Bachelor thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3002177Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2412]
Sammendrag
Gjennom å vurdere sikringer opp mot halvlederbrytere som vern av DC-anlegget iet hybridskip er hensikten med denne oppgaven å gi svar på om vernene fungerertilfredsstillende med hensyn på selektivitet og kortslutningsstrømmer og ta stillingtil hvilken løsning som er best.Systemets oppbygging og virkemåte er beskrevet og relatert til relevant teori.Spesielt vektlagt er kortslutninger i DC-anlegg og funksjonen til de to ulike vern-typene vi tar for oss i oppgaven; smeltesikringer og halvlederbrytere.I det store og hele er dimensjoneringen av anlegget gitt av oppdragsgiver. Stør-relser på komponenter har blitt satt direkte inn i modellen der det har vært mulig,og der parameterene har vært vanskelig å bestemme utifra dokumentasjonen, harkomponentstørrelser blitt estimert på andre måter.En modell av alle deler av anlegget ble laget i Simulink for å simulere strøm-mer og spenninger i ulike deler av kretsen under et kortslutningsforløp.Fokuset for simuleringene er varige feil på ulike deler av DC-anlegget simulertover kort tid. Dette har vi gjort for et utvalg av caser med tanke på å avgjøre hvasom fungerer og hvor godt det fungerer i ulike situasjoner. Blant annet har vimed forskjellen på kortslutningsbidraget fra batteribanken når det er nytt (BOL),kontra når det nærmer seg slutten av levetiden (EOL). Det store spørsmålet erhvorvidt vernutløsningen skjer på en måte som gjør at driften kan opprettholdesuavbrutt på andre deler av anlegget enn den feilbefengte delen, om selektivitetener opprettholdt.Gjennom å granske resultatene av simuleringene var det mulig å konkluderemed at høyhastighetssikringer kan gi tilfredsstillende beskyttelse og selektivitetunder gitte forutsetninger, men løsningen dette gjelder kan kun forsvares med enbestemt tolkning av DNV’s regelverk. Sett opp imot utstyrets maksimale merke-kortslutningsstrøm, oppnår man tilfredsstillende elektromekanisk beskyttelse vedbruk av sikringer, men kontinuerlig selektiv drift av omformere under et kort-slutningsforløp viste seg generelt sett å ikke være mulig. En kombinasjonsløsningmed halvledervern ved omformere og sikringer ved batteri gir heller ikke bedreselektivitet pga. underspenningsgrensen på DC-samleskinne. Løsninger med ettenkelt halvledervern i plusspolen vil mangle en fullstendig beskyttelse mot feil påDC-siden. Gjennom å bruke halvledervern i alle deler av DC-kretsen blir de ulikekomponentene utsatt for lavere kortslutningsstrøm på grunn av raskere vernut-løsning. Her kan drift av omformere opprettholdes selv i en feilsituasjon. Through comparing the performance of conventional high-speed fuses with electro-nic DC circuit breakers (EDCB) as protection units for the DC system in a PTI/PTOhybrid propulsion ship, this report seeks to answer the following questions: Do theproposed solutions have satisfactory performance in terms of selectivity and limi-ting short-circuit currents? Which solution has the best performance?The system layout and operation characteristics have been described and re-lated to relevant theoretical topics. Short-circuit faults in a DC system has beenparticularly emphasized along with a thorough description of the operation offuses and the EDCB.The parameters and sizes of different units in the system has at large beenprovided in the assignment by the client. Where possible the unit parameters havebeen inserted directly into the simulation model, or otherwise when these havebeen difficult to determine, they have been adapted into the model through othermeans.A comprehensive model of the system has been created, allowing the simula-tion of currents and voltages in different parts of the circuit throughout the courseof a short-circuit fault. The simulations are limited to bolted short-circuit faultsat different locations over the course of a short time span. A variety of fault-caseshave been selected based on the objective - to investigate the functionality ofthe proposed solutions in different states/configurations of the system. Two suchcases investigate the contribution of the battery towards a short-circuit fault whenthe battery is new (BOL) as opposed to when it is nearing the end of its lifetime(EOL).The main issue is whether or not the protection units’ breaking processes hap-pen in a way such that the healthy part of the system can continue its normaloperation - whether selectivity is maintained throughout a fault situation.Through analyzing the simulation results, it was possible to conclude thathigh-speed fuses could provide sufficient protection and selectivity when sub-ject to a specific interpretation of the DNV codes. Protection was satisfactory andwithin the boundaries specified for short-circuit currents by the equipment ma-nufacturers. However, on a general basis the system with fuses was not able tomaintain operation of the healthy parts of the system throughout a short-circuitfault. A combined solution with EDCB’s protecting the Active Front-End Rectifiers(AFE) and fuses protecting the battery units did not improve selectivity. This wasdue to the undervoltage limit set for the DC-busbar. We also found that solutionsinvolving only a single EDCB breaker in the positive pole will lack sufficient pro-tection from faults on the DC side. The solution with EDCB’s protecting all partsof the DC-system proved to have the best performance, both in terms of rapiddisconnection, short-circuit current limiting, aswell as providing selectivity thatallows normal AFE operation throughout the course of a fault in the DC system.