艦船電力系統(tǒng)非同期合閘保護裝置設計

鐘暉 張能 潘德華

(1.武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064；2. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004)

1 引言

艦船電站配置多臺發(fā)電機，多臺發(fā)電機并聯(lián)運行。當兩臺發(fā)電機組出現(xiàn)非同期并車，不僅使發(fā)電機并車失敗，而且可能對發(fā)電機和電力系統(tǒng)造成嚴重危害。艦船電力系統(tǒng)同期系統(tǒng)采用傳統(tǒng)電站集中控制方案。并車機組是汽輪發(fā)電機組、主變流機組、岸電，通過電氣監(jiān)控臺上同期繼電器實現(xiàn)相角保護，并車操作由對應框架斷路器完成。為保證并車安全性，電氣綜合監(jiān)控臺對這些并車開關同時又設置了誤操抑制功能，即電控臺 PLC處于通電工作狀態(tài)，一旦操作失誤，PLC發(fā)出報警信號，切除開關合閘回路，抑制誤操作。

在聯(lián)調(diào)現(xiàn)場出現(xiàn)過 PLC誤操抑制未投入，又未按正常同期并車程序操作并車，造成主發(fā)機組嚴重損傷的事故。為了保證在 PLC誤操抑制未投入或就地電操合閘，也不會造成非同期合閘，徹底杜絕非同期誤操作問題，有必要對艦艇電力同期系統(tǒng)進行改善，在并車開關內(nèi)加裝非同期操作保護裝置，根據(jù)并車開關兩端電壓壓差、相位，開放開關的合閘回路，抑制非同期操作，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的保護。

2 實施方案

非同期合閘保護裝置安裝在每臺需要完成并車操作的開關內(nèi)，裝置的基本思路是在開關合閘回路內(nèi)串入非同期合閘保護觸點，從源頭保證電控臺遙操和就地操作開關實現(xiàn)機組并網(wǎng)安全。

本裝置應能實現(xiàn)下列功能：

1）開關兩端有電，檢測斷路器上下兩端電壓差、頻差超過一定范圍，電路自動閉鎖，斷開合閘回路，可靠抑制非同期合閘；

2）開關一端有電，不斷開合閘回路，開關可任意合閘；

3）開關兩端沒電，不斷開合閘回路，開關可任意合閘。

3 電路設計

根據(jù)電機學理論可知，同步發(fā)電機并聯(lián)運行的條件為：(1)待并發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓有效值相等；(2)待并發(fā)電機頻率、相位與電網(wǎng)頻率相位相等；(3)待并發(fā)電機相序與電網(wǎng)相序相同。相序相同這一條在并車操作過程中可不考慮，因為配電板的設計和安裝接線時，已經(jīng)保證了待并機與電網(wǎng)的相序相同。本裝置為并車保護裝置，合閘壓差、頻差相差應比自動并車裝置范圍較大。

3.1 控制電源電路

裝置引入斷路器上、下端各兩相電壓，經(jīng)變壓器降壓、整流后，并聯(lián)向 DC/DC模塊供電，產(chǎn)生±15 V控制電源。K1、K2為有無電壓檢測繼電器，斷路器上、下端均無電、或任意一路有電，均可接通斷路器合閘回路。電路圖見下圖1。

圖1 控制電源電路

3.2 電壓比較電路

裝置引入斷路器上、下端各兩相電壓，經(jīng)變壓器降壓、整流后，采用差分比較，電阻R1～R3、R6～R8阻值相等，調(diào)節(jié) R4、R5阻值可調(diào)節(jié)閉鎖壓差范圍，電壓差值在給定范圍內(nèi)，兩路運放輸出高電平，具備開關合閘條件 1。電壓差值超出給定范圍，其中一路運放輸出低電平，電路自動閉鎖，斷開合閘回路。電路圖見下圖2。

圖2 電壓比較電路

3.3 頻差相角比較電路

裝置引入斷路器上、下端各兩相電壓，經(jīng)變壓器降壓、整形后，形成兩路方波信號，異或后，形成與頻差相角成正比的電壓信號，信號濾波反相后產(chǎn)生的鋸齒波，與鋸齒波微分形成的方波信號比較，電壓差值在一定范圍內(nèi)，運放N2：3輸出高電平，具備開關合閘條件 2。電路圖見圖3。

3.4 保護輸出電路

條件同時滿足，斷路器可進行合閘操作。任一合閘條件不滿足，繼電器輸出觸點斷開，分斷斷路器合閘回路，抑制斷路器誤操。

4 試驗測試

4.1 試驗條件

在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗室構(gòu)建非同期合閘保護裝置試驗測試的下列條件。

1）開關一端有電，不斷開合閘回路，開關可任意合閘；

2）開關兩端沒電，不斷開合閘回路，開關可任意合閘；

3）開關兩端有電，壓差U△＞10%U，不允許合閘；頻差f△＞0.5 Hz，不允許合閘；U△＜8%U、f△＜0.3 Hz條件滿足允許合閘，合閘允許角度超前 25°～15°。

圖3 頻差相角比較電路

4.2 試驗結(jié)果

圖4 差頻周期0.1 Hz合閘波形圖

圖5 差頻周期0.25 Hz合閘波形圖

如圖 4～圖 6所示，三角波為正比于不同差頻周期的電壓信號，方波為合閘方波脈沖，在差頻0.5 Hz時，已無合閘脈沖。

5 結(jié)語

非同期合閘保護裝置的基本思路是通過檢測和判斷待并機組間的壓差、頻差與相角關系，簡潔可靠實現(xiàn)非同期合閘的無源保護。無需同步選擇轉(zhuǎn)換開關的位置和被選中的待并機信號，無需準確判斷待并機，可以保證電控臺遙操和就地操作開關實現(xiàn)機組并網(wǎng)安全。

本裝置為新型號艦船研制，同時由于該裝置具有體積小，可裝在相關斷路器屏內(nèi)，無穿艙電纜，船上改裝十分方便等優(yōu)點，可在已有艦船上增裝，具有廣闊應用前景。

圖6 差頻周期0.5 Hz合閘波形圖

[1]施億生, 謝紹惠. 船舶電站[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社, 1981年.

[2]鐘暉, 單秀玲. 交流發(fā)電機并網(wǎng)相角保護與自動合閘裝置研究[J]. 艦船科學技術, 2005, 1： 41-44.