某水下拖曳電纜過電流保護技術研究

龐廣智，易 輝

（中船重工第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

某水下拖曳電纜過電流保護技術研究

龐廣智，易 輝

（中船重工第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

為提高水下拖曳電纜的可靠性和安全性，以過電流保護為出發點，從對稱分量角度對過電流特征進行了分析、劃分和整定，進一步完成了某水下拖曳電纜過電流保護器的總體及軟硬件設計，并經模擬試驗驗證了其功能性，為后繼系統航行試驗打下基礎。

水下拖曳電纜；過流保護；對稱分量

0 引言

某水下拖曳電纜由轉接纜、復合纜和分支纜，并通過水密連接器連成一體，上端與AC380V船電相接，下端與水下探測設備的三相異步電動機相連，如圖1。

500m復合纜拖曳探測器航行于水下，通過電纜內部的三根 16.7mm2線為探測器的電動機供電。因水下使用環境復雜，對電纜存在威脅，重點是分支纜及兩端連接器的破壞，海水會引起結構件不同程度的短路，甚至燒結。因此，有必要在提高電纜外部結構強度的同時，對電纜的過電流保護技術進行研究，進一步提高產品的可靠性和安全性。

1 過電流特征分析

該水下拖曳纜系統屬于低壓電網供電，從對稱分量法考慮，過電流有對稱和非對稱兩種狀態。前者包括過載和三相短路；后者包括兩相短路、單相接地和斷相。為提高電纜過流保護的有效性，需分析各狀態特征，從而確定判斷閥值，對各狀態予以整定。

1.1 對稱狀態特征分析與整定

過電流對稱狀態的傳統保護方式為“鑒幅式”，即以線路電流的幅值為判據，但異步電動機的正常起動電流（或過載）與電纜末端的三相短路電流十分接近，若整定值過小，電機起動時會造成誤動作；若整定值偏大，電網末端短路時會引起保護拒動，因此“鑒幅式”存在判定局限[1]。

圖1 某水下拖曳電纜示意圖

研究發現，異步電動機的起動電流雖大，但功率因數很低，一般在 0.35～0.45左右，而三相短路時，功率因數很高（接近于1），相位角為0°～20°，屬于“鑒相式”方法。綜合兩種方法優勢，可作為電機起動（或過載）和線路短路的判斷條件[1]。為此，將兩者線性疊加，建立臨界動作曲線[2]：

式中，c1和c2為常數；Is是實際電流與電纜最大三相短接電流的比值；cosΦ為功率因數。

實際使用中，電纜短路電流和起動電流一樣，也在額定電流的1～3倍之間，為躲過起動區間并不產生拒動，在此取c1=1.1和c2=0.9，臨界線如圖2所示。

圖2 對稱狀態過流保護線

1.2 非對稱狀態特征分析與整定

過電流非對稱狀態包括兩相短路、單相接地短路及斷相三種情況。在水下低壓電網發生不對稱故障時，與對稱故障相比，最重要的特征是線路中存在負序電流，或與零序電流同時存在。

其中零序電流大于零可判斷單相接地故障；而對于兩相短路與斷相可通過負序電流來判定，經相關學者研究發現，兩相短路時的負序電流介于額定電流的2.5～4之間[3]，而斷相時的負序電流介于額定電流的0.87～0.92之間[3]，在此選0.87倍的額定電流為兩相短路或斷相的判斷閥值。綜合兩個判別式，可對非對稱狀態進行整定。

2 過電流保護器設計

2.1 過電流保護器總體設計

過電流保護器由上位機RS232串口通信、下位機過電流保護判斷、電機軟啟動器及外圍繼電器電路三個功能模塊組成，詳見圖3。

圖3 過電流保護器總體原理框圖

2.2 過電流保護器硬件設計

2.2.1 下位機功能設計

過流保護器選用單片機8031作為處理器進行故障狀態判斷與數據處理；選用鎖存器 74ALS373和模數轉換器ADC0809為前置通道,進行數據采集，并通過中斷方式進行轉換數據的傳送[4]；后置通道選用光電耦合驅動晶閘管功率開關控制繼電器、實施保護，見圖4。

圖4 下位機功能模塊圖

2.2.2 軟啟動器與外圍電路

軟啟動器選用Schneider ATS48軟起動-停止單元，在其外圍建立繼電器邏輯電路實現對電機的各種控制；選用零序電流濾波器和負序電流濾波器，完成零序電壓和負序電壓輸出，供下位機判斷，見圖5。

圖5 電機軟啟動器及外圍控制電路

2.3 過電流保護器軟件設計

按照過電流狀態整定要求及通信功能，對過電流保護器軟件進行設計[2]，流程圖詳見圖6和圖7，初始化及各過電流狀態整定值見表1。

表1 初始化及過電流整定值

圖6 過電流保護主程序

圖7 過電流中斷程序

3 實驗與驗證

為充分驗證過流保護器的功能性，現用電阻代替復合纜，通過開關方式模擬各過流保護狀態，建立試驗電路如圖8所示，各過電流狀態測試值如表2所示。

表2 各過電流狀態測試值

圖8 試驗方案電路圖

4 結論

1）從對稱分量角度分析水下電纜過電流特征的方法是可行的，解決了對稱與非對稱故障的難區分問題；

2）采用鑒幅式與鑒相式線性組合的方法，有效區分了對稱過流中的過載與三相短路狀態，解決了兩者重疊區的辨識問題；

3）從零序電流和負序電流概念出發，區分了單相接地與兩相短路或斷路狀態，解決了非對稱過流中的狀態區分問題；

4）設計的過電流保護器經模擬試驗，驗證了功能可行性；

因水下拖曳電纜實際使用中的過電流故障，可能是幾種狀態的疊加，比模擬試驗復雜得多，需要系統航行試驗做進一步的驗證。

[1] 郭峰, 于群, 等. 基于相敏保護的功率因數分析[J].電子質量, 2011(11): 18-19.

[2] 宋建成, 謝恒, 等. 基于功率因數檢測的礦井低壓電網相敏保護的研究[J]. 電網技術, 1999, 23(2):2-3.

[3] 李榮華. 高壓電動機負序電流保護整定時須注意的問題[J]. 電氣開關, 2008(4): 12-14.

[4] 孫進平, 張大鵬, 等. 51系列單片機原理、開發與應用實例[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

Research on Over-current Protection Technology of Underwater Towed Cable

PANG Guang-zhi，YI Hui
(No. 710 Research Institute, CSIC, Yichang 443003, China)

From the point of symmetrical component, the over-current characteristics are analyzed,differentiated and set to protect the current, so that the reliability and safety of the underwater towed cable are improved. The overall design and the design for software and hardware of the over-current protector are introduced, which function is validated by simulation test. The foundation of system performance in sea trial to be followed up is laid.

underwater towed cable; over-current protection; symmetrical component

TM772

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.007

龐廣智（1983-），男，碩士、工程師，主要研究方向為水下探測技術。