基于高速限流重合閘裝置的艦船直流電網選擇性保護方法

劉路輝 莊勁武 王晨 江壯賢

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

1 引言

隨著艦船自動化程度的提高，各種電氣設備的使用，艦船電網容量急劇增加。目前，艦船電網發生短路故障時，電流初始上升率達到20 A/μs以上[1,2]，這樣高上升率的短路電流不僅對開關極限分斷能力提出挑戰，而且對現有保護的選擇性提出了挑戰。陸地電網中常采用的電流選擇性保護方法，即通過上下級開關動作整定值的配合來實現選擇性的方法，在艦船電網應用中存在問題，這是由于艦船電網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同時動作，導致選擇性保護失效。因此，如何實現艦船電網的選擇性保護亟待解決。

本文在艦用塑殼開關的脫扣器特性曲線基礎上，分析了艦船電網電流原則選擇性保護失效的原因，闡述了基于高速限流重合閘裝置選擇性保護方法的工作原理，實驗證明該方法可實現艦船直流電網的選擇性保護。

2 艦船電網電流原則選擇性保護失效原因分析

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塑殼開關的電磁脫扣器[4,5]特性曲線。曲線（1）為300 A塑殼開關的電磁脫扣器特性曲線，曲線（2）為1000 A塑殼開關的電磁脫扣器特性曲線，曲線（3）為300 A塑殼開關分斷不同上升率短路電流的峰值曲線。

以短路電流上升率5 A/μs為例說明電流原則選擇性保護失效原因：300 A塑殼開關在短路電流到達A點時電磁脫扣器動作，動靜觸頭開始建立電弧，短路電流繼續上升到達峰值C點，此時短路電流超過了 1000 A塑殼開關脫扣動作值 B點，因此，1000 A塑殼開關也脫扣動作，造成上下級開關的選擇性保護失效。當短路電流上升率小于1.7 A/μs時，300 A塑殼開關脫扣器動作后，短路電流上升峰值小于1000 A 塑殼開關脫扣器動作值，1000 A 塑殼開關不動作，可實現選擇性保護。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，電流原則不能實現選擇性保護；而在交點以下部分，即短路電流上升率較低時，可以實現選擇性保護。

圖1 不同電流上升率條件下，塑殼開關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方法工作原理

針對上述繼電保護設備無法滿足高電流上升率情況下選擇性保護的問題，在系統原有上下級開關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動作特性的合理配合，在下級發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，避免上級開關動作，故障支路開關跳開后， HLB快速重合閘恢復對無故障支路的供電，實現系統的選擇性保護。

圖2 基于高速限流重合閘裝置的選擇性保護

以圖 2為例說明，K1為主回路開關，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，M1、M2為掛在各支路上的電動機負載。當支路2發生短路故障時，HLB首先在1～2 ms之內快速限流分斷， K3隨后也分斷動作，因HLB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發生短路故障時，下級開關K3瞬時動作而上級開關 K1保持閉合狀態，實現了開關動作的選擇性，如圖3所示。曲線（1）為300 A塑殼開關的電磁脫扣器特性曲線，曲線（2）為1000 A塑殼開關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 斷路器短路保護脫扣器特性曲線之間，從而滿足了系統保護的選擇性需要。

圖 3 新型選擇性保護方法原理示意圖

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已完全分斷，故障已切除，發出重合閘指令，HLB可在10～20 ms時間內完成重合閘動作，恢復對非故障區支路1的供電，保證系統供電連續性和穩定性。

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，它的基本結構采用了混合限流技術，主要由超高速永磁斥力開關、塑殼選路開關，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的觸頭并聯，由斥力開關承擔穩態過程，而快速熔斷器承擔動態過程。其中斥力開關采用了電磁斥力機構和永磁操動機構，分斷速度快（約100～200 μs）、可靠性高和結構簡單。當系統發生短路故障時，斥力開關觸頭分斷，短路電流轉換至快熔上，從而保證開關快速無弧分斷短路電流，并有效地限制了短路電流峰值。裝置設有塑殼選路開關，并有兩路快速熔斷器，用于動作后功能快恢復。當測控電路確定下級開關分斷后，將斥力開關快速重合閘。該裝置具有通態損耗低、限流水平高、可控性好、快恢復等優點。

圖4 高速限流重合閘裝置的原理圖

4.2 實驗分析

實驗系統框圖如圖5所示。其中：S為系統電源，它由E（DC690 V）、L0、R0組成，L0、R0決定了預期短路電流峰值和時間常數；HLB為限流保護裝置；K1為1000 A塑殼開關，模擬回路主開關；K2為300 A塑殼開關，短路支路的保護開關；K3為300 A塑殼開關，用于電動機啟動電阻R的切除；KS為帶電操機構的1000 A塑殼開關，用于模擬短路故障的產生和切除；M為10 kW的直流并勵電動機。利用原理樣機進行預期電流峰值100 kA，時間常數為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斷，限流峰值15.4 kA，并且在故障排除后50 ms內重合閘，恢復對非故障支路的供電，實現了電網的選擇性保護。

5 結束語

（1）在艦用塑殼開關的電磁脫扣器特性曲線基礎上，分析了艦船電網電流原則選擇性保護失效的原因。

（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方法可以實現對艦船直流電網的選擇性保護。

（3）高速限流重合閘裝置的成功研制為新型選擇性保護方法的應用提供了現實可能，該方法對原有繼電保護系統改動較小，應用前景廣闊。

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

[2] 郝鵬，劉維亭，莊肖波等.艦船電力系統短路計算及仿真[J].華東船舶工業學院學報(自然科學版)，2003.10：11—15.

[3] 王征，沈兵，莊勁武等.艦船復雜樹型電網新型保護方法的研究.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.低壓電器，2000，（5）：12-16.

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

[6] 莊勁武，張曉鋒，楊鋒等. 船舶直流電網短路限流裝置的設計與分析.中國電機工程學報，2005，25(20)：26-30.

[7] 莊勁武. 快熔型混合限流開關. 中國.實用新型專利，ZL200620157532.7. 2007.