基于高速限流重合閘裝置的艦船直流電網(wǎng)選擇性保護(hù)方法

劉路輝 莊勁武 王晨 江壯賢

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

1 引言

隨著艦船自動(dòng)化程度的提高，各種電氣設(shè)備的使用，艦船電網(wǎng)容量急劇增加。目前，艦船電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，電流初始上升率達(dá)到20 A/μs以上[1,2]，這樣高上升率的短路電流不僅對(duì)開(kāi)關(guān)極限分?jǐn)嗄芰μ岢鎏魬?zhàn)，而且對(duì)現(xiàn)有保護(hù)的選擇性提出了挑戰(zhàn)。陸地電網(wǎng)中常采用的電流選擇性保護(hù)方法，即通過(guò)上下級(jí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作整定值的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性的方法，在艦船電網(wǎng)應(yīng)用中存在問(wèn)題，這是由于艦船電網(wǎng)具有電氣傳輸距離短、短路電流沿線路衰減很小的特點(diǎn)[3]，快速上升的短路電流往往會(huì)使上下兩級(jí)開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作，導(dǎo)致選擇性保護(hù)失效。因此，如何實(shí)現(xiàn)艦船電網(wǎng)的選擇性保護(hù)亟待解決。

本文在艦用塑殼開(kāi)關(guān)的脫扣器特性曲線基礎(chǔ)上，分析了艦船電網(wǎng)電流原則選擇性保護(hù)失效的原因，闡述了基于高速限流重合閘裝置選擇性保護(hù)方法的工作原理，實(shí)驗(yàn)證明該方法可實(shí)現(xiàn)艦船直流電網(wǎng)的選擇性保護(hù)。

2 艦船電網(wǎng)電流原則選擇性保護(hù)失效原因分析

圖1為通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)得到的不同短路電流上升率條件下的300 A和 1000 A塑殼開(kāi)關(guān)的電磁脫扣器[4,5]特性曲線。曲線（1）為300 A塑殼開(kāi)關(guān)的電磁脫扣器特性曲線，曲線（2）為1000 A塑殼開(kāi)關(guān)的電磁脫扣器特性曲線，曲線（3）為300 A塑殼開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗖煌仙识搪冯娏鞯姆逯登€。

以短路電流上升率5 A/μs為例說(shuō)明電流原則選擇性保護(hù)失效原因：300 A塑殼開(kāi)關(guān)在短路電流到達(dá)A點(diǎn)時(shí)電磁脫扣器動(dòng)作，動(dòng)靜觸頭開(kāi)始建立電弧，短路電流繼續(xù)上升到達(dá)峰值C點(diǎn)，此時(shí)短路電流超過(guò)了 1000 A塑殼開(kāi)關(guān)脫扣動(dòng)作值 B點(diǎn)，因此，1000 A塑殼開(kāi)關(guān)也脫扣動(dòng)作，造成上下級(jí)開(kāi)關(guān)的選擇性保護(hù)失效。當(dāng)短路電流上升率小于1.7 A/μs時(shí)，300 A塑殼開(kāi)關(guān)脫扣器動(dòng)作后，短路電流上升峰值小于1000 A 塑殼開(kāi)關(guān)脫扣器動(dòng)作值，1000 A 塑殼開(kāi)關(guān)不動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。就是說(shuō)在曲線（2）和曲線（3）交點(diǎn)以上部分，即短路電流上升率較高時(shí)，電流原則不能實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)；而在交點(diǎn)以下部分，即短路電流上升率較低時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。

圖1 不同電流上升率條件下，塑殼開(kāi)關(guān)電磁脫扣器特性曲線

3 基于高速限流重合閘裝置的選擇性保護(hù)方法工作原理

針對(duì)上述繼電保護(hù)設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足高電流上升率情況下選擇性保護(hù)的問(wèn)題，在系統(tǒng)原有上下級(jí)開(kāi)關(guān)之間安裝一臺(tái)具有高速限流及智能重合閘功能的新型保護(hù)裝置——高速限流重合閘裝置（由HLB表示），如圖 2所示。通過(guò)該裝置和原有上下級(jí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作特性的合理配合，在下級(jí)發(fā)生任何上升率短路電流的故障時(shí)，首先通過(guò)的HLB的快速限流，避免上級(jí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，故障支路開(kāi)關(guān)跳開(kāi)后， HLB快速重合閘恢復(fù)對(duì)無(wú)故障支路的供電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性保護(hù)。

圖2 基于高速限流重合閘裝置的選擇性保護(hù)

以圖 2為例說(shuō)明，K1為主回路開(kāi)關(guān)，HLB為高速限流重合閘裝置，A點(diǎn)為母線出口，K2、K3分別為支路開(kāi)關(guān)，M1、M2為掛在各支路上的電動(dòng)機(jī)負(fù)載。當(dāng)支路2發(fā)生短路故障時(shí)，HLB首先在1～2 ms之內(nèi)快速限流分?jǐn)啵?K3隨后也分?jǐn)鄤?dòng)作，因HLB限流動(dòng)作如此之快，可將短路電流峰值限制在K1脫扣器動(dòng)作值以下，因此K1未動(dòng)作。即支路2發(fā)生短路故障時(shí)，下級(jí)開(kāi)關(guān)K3瞬時(shí)動(dòng)作而上級(jí)開(kāi)關(guān) K1保持閉合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)動(dòng)作的選擇性，如圖3所示。曲線（1）為300 A塑殼開(kāi)關(guān)的電磁脫扣器特性曲線，曲線（2）為1000 A塑殼開(kāi)關(guān)的電磁脫扣器特性曲線，曲線（3）為HLB限制短路電流峰值曲線。通過(guò)HLB的引入，在不同電流上升率條件下，短路電流峰值都被限制在1000 A斷路器和300 A 斷路器短路保護(hù)脫扣器特性曲線之間，從而滿(mǎn)足了系統(tǒng)保護(hù)的選擇性需要。

圖 3 新型選擇性保護(hù)方法原理示意圖

K3動(dòng)作將短路故障切除后，由于非故障支路1存在電動(dòng)機(jī)負(fù)載，A點(diǎn)處電壓快速上升為電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)電壓，HLB的控制電路通過(guò)檢測(cè)此電量來(lái)判斷下級(jí)開(kāi)關(guān)已完全分?jǐn)?，故障已切除，發(fā)出重合閘指令，HLB可在10～20 ms時(shí)間內(nèi)完成重合閘動(dòng)作，恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)支路1的供電，保證系統(tǒng)供電連續(xù)性和穩(wěn)定性。

4 高速重合閘裝置簡(jiǎn)介及實(shí)驗(yàn)

4.1 高速重合閘裝置簡(jiǎn)介

高速限流重合閘裝置[6,7]的原理圖如圖 4所示，它的基本結(jié)構(gòu)采用了混合限流技術(shù)，主要由超高速永磁斥力開(kāi)關(guān)、塑殼選路開(kāi)關(guān)，快速熔斷器和測(cè)控電路等組成。該裝置利用快速熔斷器與斥力開(kāi)關(guān)的觸頭并聯(lián)，由斥力開(kāi)關(guān)承擔(dān)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，而快速熔斷器承擔(dān)動(dòng)態(tài)過(guò)程。其中斥力開(kāi)關(guān)采用了電磁斥力機(jī)構(gòu)和永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，分?jǐn)嗨俣瓤欤s100～200 μs）、可靠性高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，斥力開(kāi)關(guān)觸頭分?jǐn)啵搪冯娏鬓D(zhuǎn)換至快熔上，從而保證開(kāi)關(guān)快速無(wú)弧分?jǐn)喽搪冯娏鳎⒂行У叵拗屏硕搪冯娏鞣逯?。裝置設(shè)有塑殼選路開(kāi)關(guān)，并有兩路快速熔斷器，用于動(dòng)作后功能快恢復(fù)。當(dāng)測(cè)控電路確定下級(jí)開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗪螅瑢⒊饬﹂_(kāi)關(guān)快速重合閘。該裝置具有通態(tài)損耗低、限流水平高、可控性好、快恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 高速限流重合閘裝置的原理圖

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖5所示。其中：S為系統(tǒng)電源，它由E（DC690 V）、L0、R0組成，L0、R0決定了預(yù)期短路電流峰值和時(shí)間常數(shù)；HLB為限流保護(hù)裝置；K1為1000 A塑殼開(kāi)關(guān)，模擬回路主開(kāi)關(guān)；K2為300 A塑殼開(kāi)關(guān)，短路支路的保護(hù)開(kāi)關(guān)；K3為300 A塑殼開(kāi)關(guān)，用于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電阻R的切除；KS為帶電操機(jī)構(gòu)的1000 A塑殼開(kāi)關(guān)，用于模擬短路故障的產(chǎn)生和切除；M為10 kW的直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)。利用原理樣機(jī)進(jìn)行預(yù)期電流峰值100 kA，時(shí)間常數(shù)為7 ms的短路模擬實(shí)驗(yàn)，采集了主電路電流id，HLB兩端電壓Ud和電動(dòng)機(jī)M兩端電壓Um三個(gè)量。波形見(jiàn)圖6。

圖5 實(shí)驗(yàn)電路

圖6 實(shí)驗(yàn)波形

從波形可以看出，HLB成功地將短路電限流分?jǐn)?，限流峰?5.4 kA，并且在故障排除后50 ms內(nèi)重合閘，恢復(fù)對(duì)非故障支路的供電，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的選擇性保護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）在艦用塑殼開(kāi)關(guān)的電磁脫扣器特性曲線基礎(chǔ)上，分析了艦船電網(wǎng)電流原則選擇性保護(hù)失效的原因。

（2）高速限流重合閘裝置可快速限流，智能重合，基于該裝置的選擇性保護(hù)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船直流電網(wǎng)的選擇性保護(hù)。

（3）高速限流重合閘裝置的成功研制為新型選擇性保護(hù)方法的應(yīng)用提供了現(xiàn)實(shí)可能，該方法對(duì)原有繼電保護(hù)系統(tǒng)改動(dòng)較小，應(yīng)用前景廣闊。

[1] 王慶紅. 艦船綜合電力系統(tǒng)總體概念研究的思考[J]. 中國(guó)艦船研究，2006，3：25-29.

[2] 郝鵬，劉維亭，莊肖波等.艦船電力系統(tǒng)短路計(jì)算及仿真[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003.10：11—15.

[3] 王征，沈兵，莊勁武等.艦船復(fù)雜樹(shù)型電網(wǎng)新型保護(hù)方法的研究.繼電器，2005.5，33(9)：62－65.

[4] 葛大麟，張自中. 低壓斷路器的能量選擇性技術(shù).低壓電器，2000，（5）：12-16.

[5] 徐懋生，何新嵐，徐應(yīng)躍.也談“低壓斷路器的能量選擇性技術(shù)”. 低壓電器，2001，（3）：14-15.

[6] 莊勁武，張曉鋒，楊鋒等. 船舶直流電網(wǎng)短路限流裝置的設(shè)計(jì)與分析.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(20)：26-30.

[7] 莊勁武. 快熔型混合限流開(kāi)關(guān). 中國(guó).實(shí)用新型專(zhuān)利，ZL200620157532.7. 2007.