高速異步整流發電機過電流保護改進方法

吳大立，雷秉霖，李星宇，徐正喜

高速異步整流發電機過電流保護改進方法

吳大立，雷秉霖，李星宇，徐正喜

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

分析了高速異步整流發電機外部故障條件下傳統過電流保護的不足，提出了同時采用電壓、電流故障特征量的低壓記憶過流保護改進方法，建立了船舶直流電力系統短路仿真模型對低壓記憶過流保護性能進行驗證，研究結果表明保護能可靠并有選擇性切除短路故障，有效提高了船舶直流電力系統的安全水平。

船舶電力系統 電力系統保護 異步發電機 整流發電機

0 引言

高速異步整流發電機在定子上設置勵磁繞組與功率繞組，通過電力電子勵磁調節器控制勵磁繞組無功電流與有功電流，僅依靠磁路聯系補償負載電樞反應的影響，維持功率繞組輸出電壓穩定，使異步發電技術突破了傳統自激式異步發電機依靠離散投切電容而進行電壓調節的限制，且具備無刷、簡單、轉速高、可變轉速運行等優點，近年來在艦船、戰車和航空航天器等獨立電力系統領域備受青睞。文獻[1-3]針對定轉速型異步整流發電機的電壓調節、勵磁控制、諧波分析等問題開展了深入研究。文獻[4-6]針對變轉速運行條件下帶整流負載的定子雙繞組感應發電機的穩態特性、電壓控制等問題進行了詳細分析。總的來看，對異步整流發電技術的正常運行與控制技術研究較多，高速異步整流發電機故障保護技術則少見文獻報道。文獻[7]給出了異步整流發電機直流側短路時短路電流解析計算方法與電流試驗波形，可為系統保護裝置的合理選擇和設計提供依據。但通過對短路電流波形進一步分析可知，其具有快速衰減特性，傳統過電流短延時保護存在拒動風險，因此，本文針對高速異步整流發電機的外部短路保護問題開展研究。

1 基本工作原理與外部短路特性

1.1 基本工作原理

高速異步整流發電機的轉子采用帶鼠籠銅條的合金實心轉子，具有十分高的強度，可與原動機高速直連。高速異步整流發電機定子上有5套三相繞組，其中四套繞組為功率繞組，一套繞組為勵磁繞組。四套功率繞組在空間的布置依次相差15°，勵磁繞組布置在第2套及第3套繞組之間，與第一套繞組在空間上相差22.5°。五套繞組的中性點懸浮。四套功率繞組輸出端各接一個不可控三相整流橋，四個整流橋在直流側并聯。勵磁繞組外接一個由逆變橋組成的勵磁系統，勵磁系統主要為發電機提供無功勵磁電流，用以穩定發電機的整流繞組直流側的直流電壓，并吸收少量的有功功率以補充逆變橋中電力電子器件的損耗，維持逆變器的直流側電壓恒定。其原理框圖如圖1所示：

圖1 高速異步整流發電機原理圖

1.2 外部短路特性

相關理論分析、仿真、試驗結果表明，高速異步整流發電機外部短路特性如下：

1）高速異步整流發電機直流側突然發生短路時，由于無法檢測到定子電壓及裝置本身軟、硬件保護的作用，靜止勵磁調節器不起作用，由直流側電容儲備的能量也相對較小，因此認為勵磁繞組在短路時開路，可忽略該繞組在短路電流計算時的影響，只需考慮功率繞組作用。

2）高速異步整流發電機直流側短路等效于4套功率繞組交流側突然12相對稱短路，短路瞬間，定子與轉子繞組磁鏈不能突變，定子和轉子回路均產生沖擊電流。定子短路電流中包含基波分量與非周期直流分量，電流分量衰減時間常數與定、轉子參數相關。不計磁路飽和時，短路電流峰值從空載到滿載幾乎不變，并約在交流周期一半的時刻達到峰值。

3）在短路狀態下，靜止勵磁調節器不能提供無功建立電機電樞磁場，因此，高速異步整流發電機短路電流呈快速衰減特性。一般數十毫秒左右即衰減至0。

某MW級高速異步整流發電機短路電流試驗波形如圖2所示：

圖2 高速異步整流發電機短路電流試驗波形

2 低壓記憶過流保護方法

在船舶電力系統中，高速異步整流發電機一般用作主供電電源，發電機保護開關采用框架式斷路器，配置短延時保護及長延時保護分別對付外部短路與過載故障。由于高速異步整流發電機外部短路時短路電流隨時間增長衰減很快，在短延時保護時間范圍之內電流有可能下降至短延時保護電流定值以下，傳統短延時過流保護無法正確反應故障?？紤]到高速異步整流發電機外部短路同時具備暫時過電流與持續低電壓特征，因此，在保護邏輯中引入電壓量，提出采用低壓記憶過流保護方法對傳統過電流保護進行改進[8]，以匹配高速異步整流發電機外部故障保護需求。所提出的低壓記憶過流保護邏輯如圖3所示：

圖3 低壓記憶過流保護邏輯圖

在低壓記憶過流保護邏輯方案中，短路電流大于保護定值，經0（2~4 ms）時間連續確認避免干擾影響，電流元件動作。即使電流元件因1（時間定值）較長，受短路電流快速衰減的影響而返回，但其在“或門”自保持邏輯的作用下，其曾經動作過的狀態被記憶下來。只要短路故障不消失，電壓元件不會返回，電壓元件與記憶電流元件經“與門”形成高電平邏輯持續輸出直至短延時保護動作。如在1時間內外部短路故障被下級開關切除，電壓元件返回，電壓元件與記憶電流元件經“與門”輸出低電平，短延時保護返回不動作，保證系統保護選擇性。

3 仿真驗證

3.1 仿真建模

某船舶直流電力系統簡圖如圖4所示。

圖4 船舶直流電力系統簡圖

該電力系統采用高速異步整流發電機與蓄電池組并聯供電，直流電能經逆變器、斬波器或變頻器進行變換后給供給負載，發電機保護開關Q1采用框架式斷路器，配置低壓記憶過流保護。直流負載支路(逆變器、斬波器或變頻器)的短路保護由混合型限流熔斷器(CLF1~CLF3)完成。低壓記憶過流保護保護整定值如下：

電流定值set：2.5 pu；

時間定值1：30 ms；

電壓定值set：0.4 pu；

為了驗證低壓記憶過流保護性能，利用MATLAB/SIMULINK建立直流電力系統短路仿真模型，如圖5所示。

圖5 直流電力系統短路仿真模型

圖5仿真模型中，高速異步整流發電機按文獻[9]給出的數學模型與控制策略建模，混合型限流熔斷器建模方法及參數見文獻[10]。分別在直流負載（f1）、直流主配電板（f2）設置短路點進行短路仿真試驗。

3.2 仿真結果與分析

3.2.1直流負載短路（f1）

圖6為直流負載短路時的電壓、電流波形和保護動作邏輯情況?？梢钥闯觯?毫秒直流負載短路，電壓下降接近至0、短路電流峰值約16 pu。短路發生后電壓元件輸出高電平，電流元件經2 ms延時確認后輸出高電平；經約2.2 ms時間，短路故障被混合型限流熔斷器快速切除，系統出現暫時過電壓后恢復至額定電壓，電壓元件返回，電流元件隨之返回，短延時保護不動作，有效實現系統保護選擇性。

圖6 直流負載側短路保護動作邏輯信號圖

3.2.2直流主配電板短路（f2）

圖7為直流主配電板短路時的電壓、電流波形和保護動作邏輯情況?？梢钥闯?，第5毫秒直流主配電板短路，系統電壓下降、短路電流達到峰值后快速衰減。短路發生后電壓元件輸出高電平，電流元件經2毫秒延時確認后在記憶作用下持續輸出高電平。經30毫秒時間定值延時后，短延時保護動作，實現了短路故障的可靠切除。

圖7 直流主配電板短路保護動作邏輯信號圖

4 結語

本文針對高速異步整流發電機外部短路故障保護方法開展研究，基本結論如下：

1）由于高速異步整流發電機短路電流衰減速度快，傳統過電流保護在短延時時間窗內可能會返回，短延時保護在此情況存在拒動風險。

2）充分利用高速異步整流發電機外部短路暫時過電流與持續低電壓特征，在保護邏輯中引入電壓量，采用低壓記憶過流保護方法對傳統過電流保護進行改進，保證可靠并有選擇性切除外部短路故障，提高了船舶直流電力系統的安全水平。

3）基于低壓記憶過流保護方法的發電機保護裝置已完成樣機研制，并通過了全部性能及型式試驗考核。

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An Improved method for Over Current Protection of High Speed Asynchronous Rectifier Generator

Wu Dali, Lei Binglin, Li Xingyu, Xu Zhengxi

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM771

A

1003-4862（2019）08-0032-04

2019-2-20

吳大立(1977-)，男，高級工程師，主要從事船舶電力系統保護技術研究工作。E-mail：dreamwdl@163.com