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，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開關(guān)極限分?jǐn)嗄芰μ岢鎏魬?zhàn)，而且對現(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，即通過上下級開關(guān)動作整定值的配合來實現(xiàn)選擇性的方法，在艦船電網(wǎng)應(yīng)用中存在問題，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[3]，快速上升的短路電流往往會使上下兩級開關(guān)同時動作，導(dǎo)致選擇性保護(hù)失效。因此，如何實現(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，實驗證明該方法可實現(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為通過仿真和實驗得到的不同短路電流上升率條件下的300 A和 1000 A塑殼開關(guān)的電磁脫扣器[4,5]特性曲線。曲線（1）為300 A塑殼開關(guān)的電磁脫扣器特性曲線，曲線（2）為1000 A塑殼開關(guān)的電磁脫扣器特性曲線，曲線（3）為300 A塑殼開關(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為例說明電流原則選擇性保護(hù)失效原因：300 A塑殼開關(guān)在短路電流到達(dá)A點時電磁脫扣器動作，動靜觸頭開始建立電弧，短路電流繼續(xù)上升到達(dá)峰值C點，此時短路電流超過了 1000 A塑殼開關(guān)脫扣動作值 B點，因此，1000 A塑殼開關(guān)也脫扣動作，造成上下級開關(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，300 A塑殼開關(guān)脫扣器動作后，短路電流上升峰值小于1000 A 塑殼開關(guān)脫扣器動作值，1000 A 塑殼開關(guān)不動作，可實現(xiàn)選擇性保護(hù)。就是說在曲線（2）和曲線（3）交點以上部分，即短路電流上升率較高時，電流原則不能實現(xiàn)選擇性保護(hù)；而在交點以下部分，即短路電流上升率較低時，可以實現(xiàn)選擇性保護(hù)。

圖1 不同電流上升率條件下，塑殼開關(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

針對上述繼電保護(hù)設(shè)備無法滿足高電流上升率情況下選擇性保護(hù)的問題，在系統(tǒng)原有上下級開關(guān)之間安裝一臺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。通過該裝置和原有上下級開關(guān)動作特性的合理配合，在下級發(fā)生任何上升率短路電流的故障時，首先通過的HLB的快速限流，避免上級開關(guān)動作，故障支路開關(guān)跳開后， HLB快速重合閘恢復(fù)對無故障支路的供電，實現(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為例說明，K1為主回路開關(guān)，HLB為高速限流重合閘裝置，A點為母線出口，K2、K3分別為支路開關(guān)，M1、M2為掛在各支路上的電動機負(fù)載。當(dāng)支路2發(fā)生短路故障時，HLB首先在1～2 ms之內(nèi)快速限流分?jǐn)啵?K3隨后也分?jǐn)鄤幼鳎騂LB限流動作如此之快，可將短路電流峰值限制在K1脫扣器動作值以下，因此K1未動作。即支路2發(fā)生短路故障時，下級開關(guān)K3瞬時動作而上級開關(guān) K1保持閉合狀態(tài)，實現(xiàn)了開關(guān)動作的選擇性，如圖3所示。曲線（1）為300 A塑殼開關(guān)的電磁脫扣器特性曲線，曲線（2）為1000 A塑殼開關(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動作將短路故障切除后，由于非故障支路1存在電動機負(fù)載，A點處電壓快速上升為電動機反電動勢電壓，HLB的控制電路通過檢測此電量來判斷下級開關(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時間內(nèi)完成重合閘動作，恢復(fù)對非故障區(qū)支路1的供電，保證系統(tǒng)供電連續(xù)性和穩(wěn)定性。

4 高速重合閘裝置簡介及實驗

4.1 高速重合閘裝置簡介

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關(guān)、塑殼選路開關(guān)，快速熔斷器和測控電路等組成。該裝置利用快速熔斷器與斥力開關(guān)的觸頭并聯(lián)，由斥力開關(guān)承擔(dān)穩(wěn)態(tài)過程，而快速熔斷器承擔(dān)動態(tài)過程。其中斥力開關(guān)采用了電磁斥力機構(gòu)和永磁操動機構(gòu)，分?jǐn)嗨俣瓤欤s100～200 μs）、可靠性高和結(jié)構(gòu)簡單。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，斥力開關(guān)觸頭分?jǐn)?，短路電流轉(zhuǎn)換至快熔上，從而保證開關(guān)快速無弧分?jǐn)喽搪冯娏?，并有效地限制了短路電流峰值。裝置設(shè)有塑殼選路開關(guān)，并有兩路快速熔斷器，用于動作后功能快恢復(fù)。當(dāng)測控電路確定下級開關(guān)分?jǐn)嗪螅瑢⒊饬﹂_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。

圖4 高速限流重合閘裝置的原理圖

4.2 實驗分析

實驗系統(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間常數(shù)；HLB為限流保護(hù)裝置；K1為1000 A塑殼開關(guān)，模擬回路主開關(guān)；K2為300 A塑殼開關(guān)，短路支路的保護(hù)開關(guān)；K3為300 A塑殼開關(guān)，用于電動機啟動電阻R的切除；KS為帶電操機構(gòu)的1000 A塑殼開關(guān)，用于模擬短路故障的產(chǎn)生和切除；M為10 kW的直流并勵電動機。利用原理樣機進(jìn)行預(yù)期電流峰值100 kA，時間常數(shù)為7 ms的短路模擬實驗，采集了主電路電流id，HLB兩端電壓Ud和電動機M兩端電壓Um三個量。波形見圖6。

圖5 實驗電路

圖6 實驗波形

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)對非故障支路的供電，實現(xiàn)了電網(wǎng)的選擇性保護(hù)。

5 結(jié)束語

（1）在艦用塑殼開關(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)方法可以實現(xiàn)對艦船直流電網(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)實可能，該方法對原有繼電保護(hù)系統(tǒng)改動較小，應(yīng)用前景廣闊。

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