吳大立，雷秉霖，李星宇，徐正喜

高速異步整流發(fā)電機(jī)過(guò)電流保護(hù)改進(jìn)方法

吳大立，雷秉霖，李星宇，徐正喜

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

分析了高速異步整流發(fā)電機(jī)外部故障條件下傳統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)的不足，提出了同時(shí)采用電壓、電流故障特征量的低壓記憶過(guò)流保護(hù)改進(jìn)方法，建立了船舶直流電力系統(tǒng)短路仿真模型對(duì)低壓記憶過(guò)流保護(hù)性能進(jìn)行驗(yàn)證，研究結(jié)果表明保護(hù)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(tǒng)的安全水平。

船舶電力系統(tǒng) 電力系統(tǒng)保護(hù) 異步發(fā)電機(jī) 整流發(fā)電機(jī)

0 引言

高速異步整流發(fā)電機(jī)在定子上設(shè)置勵(lì)磁繞組與功率繞組，通過(guò)電力電子勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制勵(lì)磁繞組無(wú)功電流與有功電流，僅依靠磁路聯(lián)系補(bǔ)償負(fù)載電樞反應(yīng)的影響，維持功率繞組輸出電壓穩(wěn)定，使異步發(fā)電技術(shù)突破了傳統(tǒng)自激式異步發(fā)電機(jī)依靠離散投切電容而進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的限制，且具備無(wú)刷、簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)速高、可變轉(zhuǎn)速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在艦船、戰(zhàn)車(chē)和航空航天器等獨(dú)立電力系統(tǒng)領(lǐng)域備受青睞。文獻(xiàn)[1-3]針對(duì)定轉(zhuǎn)速型異步整流發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)、勵(lì)磁控制、諧波分析等問(wèn)題開(kāi)展了深入研究。文獻(xiàn)[4-6]針對(duì)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行條件下帶整流負(fù)載的定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性、電壓控制等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析?？偟膩?lái)看，對(duì)異步整流發(fā)電技術(shù)的正常運(yùn)行與控制技術(shù)研究較多，高速異步整流發(fā)電機(jī)故障保護(hù)技術(shù)則少見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。文獻(xiàn)[7]給出了異步整流發(fā)電機(jī)直流側(cè)短路時(shí)短路電流解析計(jì)算方法與電流試驗(yàn)波形，可為系統(tǒng)保護(hù)裝置的合理選擇和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。但通過(guò)對(duì)短路電流波形進(jìn)一步分析可知，其具有快速衰減特性，傳統(tǒng)過(guò)電流短延時(shí)保護(hù)存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，因此，本文針對(duì)高速異步整流發(fā)電機(jī)的外部短路保護(hù)問(wèn)題開(kāi)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(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用帶鼠籠銅條的合金實(shí)心轉(zhuǎn)子，具有十分高的強(qiáng)度，可與原動(dòng)機(jī)高速直連。高速異步整流發(fā)電機(jī)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(lì)磁繞組。四套功率繞組在空間的布置依次相差15°，勵(lì)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(diǎn)懸浮。四套功率繞組輸出端各接一個(gè)不可控三相整流橋，四個(gè)整流橋在直流側(cè)并聯(lián)。勵(lì)磁繞組外接一個(gè)由逆變橋組成的勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)主要為發(fā)電機(jī)提供無(wú)功勵(lì)磁電流，用以穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的整流繞組直流側(cè)的直流電壓，并吸收少量的有功功率以補(bǔ)充逆變橋中電力電子器件的損耗，維持逆變器的直流側(cè)電壓恒定。其原理框圖如圖1所示：

圖1 高速異步整流發(fā)電機(jī)原理圖

1.2 外部短路特性

相關(guān)理論分析、仿真、試驗(yàn)結(jié)果表明，高速異步整流發(fā)電機(jī)外部短路特性如下：

1）高速異步整流發(fā)電機(jī)直流側(cè)突然發(fā)生短路時(shí)，由于無(wú)法檢測(cè)到定子電壓及裝置本身軟、硬件保護(hù)的作用，靜止勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不起作用，由直流側(cè)電容儲(chǔ)備的能量也相對(duì)較小，因此認(rèn)為勵(lì)磁繞組在短路時(shí)開(kāi)路，可忽略該繞組在短路電流計(jì)算時(shí)的影響，只需考慮功率繞組作用。

2）高速異步整流發(fā)電機(jī)直流側(cè)短路等效于4套功率繞組交流側(cè)突然12相對(duì)稱(chēng)短路，短路瞬間，定子與轉(zhuǎn)子繞組磁鏈不能突變，定子和轉(zhuǎn)子回路均產(chǎn)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(shí)間常數(shù)與定、轉(zhuǎn)子參數(shù)相關(guān)。不計(jì)磁路飽和時(shí)，短路電流峰值從空載到滿(mǎn)載幾乎不變，并約在交流周期一半的時(shí)刻達(dá)到峰值。

3）在短路狀態(tài)下，靜止勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不能提供無(wú)功建立電機(jī)電樞磁場(chǎng)，因此，高速異步整流發(fā)電機(jī)短路電流呈快速衰減特性。一般數(shù)十毫秒左右即衰減至0。

某MW級(jí)高速異步整流發(fā)電機(jī)短路電流試驗(yàn)波形如圖2所示：

圖2 高速異步整流發(fā)電機(jī)短路電流試驗(yàn)波形

2 低壓記憶過(guò)流保護(hù)方法

在船舶電力系統(tǒng)中，高速異步整流發(fā)電機(jī)一般用作主供電電源，發(fā)電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)采用框架式斷路器，配置短延時(shí)保護(hù)及長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)分別對(duì)付外部短路與過(guò)載故障。由于高速異步整流發(fā)電機(jī)外部短路時(shí)短路電流隨時(shí)間增長(zhǎng)衰減很快，在短延時(shí)保護(hù)時(shí)間范圍之內(nèi)電流有可能下降至短延時(shí)保護(hù)電流定值以下，傳統(tǒng)短延時(shí)過(guò)流保護(hù)無(wú)法正確反應(yīng)故障?？紤]到高速異步整流發(fā)電機(jī)外部短路同時(shí)具備暫時(shí)過(guò)電流與持續(xù)低電壓特征，因此，在保護(hù)邏輯中引入電壓量，提出采用低壓記憶過(guò)流保護(hù)方法對(duì)傳統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)[8]，以匹配高速異步整流發(fā)電機(jī)外部故障保護(hù)需求。所提出的低壓記憶過(guò)流保護(hù)邏輯如圖3所示：

圖3 低壓記憶過(guò)流保護(hù)邏輯圖

在低壓記憶過(guò)流保護(hù)邏輯方案中，短路電流大于保護(hù)定值，經(jīng)0（2~4 ms）時(shí)間連續(xù)確認(rèn)避免干擾影響，電流元件動(dòng)作。即使電流元件因1（時(shí)間定值）較長(zhǎng)，受短路電流快速衰減的影響而返回，但其在“或門(mén)”自保持邏輯的作用下，其曾經(jīng)動(dòng)作過(guò)的狀態(tài)被記憶下來(lái)。只要短路故障不消失，電壓元件不會(huì)返回，電壓元件與記憶電流元件經(jīng)“與門(mén)”形成高電平邏輯持續(xù)輸出直至短延時(shí)保護(hù)動(dòng)作。如在1時(shí)間內(nèi)外部短路故障被下級(jí)開(kāi)關(guān)切除，電壓元件返回，電壓元件與記憶電流元件經(jīng)“與門(mén)”輸出低電平，短延時(shí)保護(hù)返回不動(dòng)作，保證系統(tǒng)保護(hù)選擇性。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真建模

某船舶直流電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 船舶直流電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該電力系統(tǒng)采用高速異步整流發(fā)電機(jī)與蓄電池組并聯(lián)供電，直流電能經(jīng)逆變器、斬波器或變頻器進(jìn)行變換后給供給負(fù)載，發(fā)電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)Q1采用框架式斷路器，配置低壓記憶過(guò)流保護(hù)。直流負(fù)載支路(逆變器、斬波器或變頻器)的短路保護(hù)由混合型限流熔斷器(CLF1~CLF3)完成。低壓記憶過(guò)流保護(hù)保護(hù)整定值如下：

電流定值set：2.5 pu；

時(shí)間定值1：30 ms；

電壓定值set：0.4 pu；

為了驗(yàn)證低壓記憶過(guò)流保護(hù)性能，利用MATLAB/SIMULINK建立直流電力系統(tǒng)短路仿真模型，如圖5所示。

圖5 直流電力系統(tǒng)短路仿真模型

圖5仿真模型中，高速異步整流發(fā)電機(jī)按文獻(xiàn)[9]給出的數(shù)學(xué)模型與控制策略建模，混合型限流熔斷器建模方法及參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。分別在直流負(fù)載（f1）、直流主配電板（f2）設(shè)置短路點(diǎn)進(jìn)行短路仿真試驗(yàn)。

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1直流負(fù)載短路（f1）

圖6為直流負(fù)載短路時(shí)的電壓、電流波形和保護(hù)動(dòng)作邏輯情況。可以看出，第4毫秒直流負(fù)載短路，電壓下降接近至0、短路電流峰值約16 pu。短路發(fā)生后電壓元件輸出高電平，電流元件經(jīng)2 ms延時(shí)確認(rèn)后輸出高電平；經(jīng)約2.2 ms時(shí)間，短路故障被混合型限流熔斷器快速切除，系統(tǒng)出現(xiàn)暫時(shí)過(guò)電壓后恢復(fù)至額定電壓，電壓元件返回，電流元件隨之返回，短延時(shí)保護(hù)不動(dòng)作，有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)選擇性。

圖6 直流負(fù)載側(cè)短路保護(hù)動(dòng)作邏輯信號(hào)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(shí)的電壓、電流波形和保護(hù)動(dòng)作邏輯情況?？梢钥闯?，第5毫秒直流主配電板短路，系統(tǒng)電壓下降、短路電流達(dá)到峰值后快速衰減。短路發(fā)生后電壓元件輸出高電平，電流元件經(jīng)2毫秒延時(shí)確認(rèn)后在記憶作用下持續(xù)輸出高電平。經(jīng)30毫秒時(shí)間定值延時(shí)后，短延時(shí)保護(hù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了短路故障的可靠切除。

圖7 直流主配電板短路保護(hù)動(dòng)作邏輯信號(hào)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高速異步整流發(fā)電機(jī)外部短路故障保護(hù)方法開(kāi)展研究，基本結(jié)論如下：

1）由于高速異步整流發(fā)電機(jī)短路電流衰減速度快，傳統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)在短延時(shí)時(shí)間窗內(nèi)可能會(huì)返回，短延時(shí)保護(hù)在此情況存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

2）充分利用高速異步整流發(fā)電機(jī)外部短路暫時(shí)過(guò)電流與持續(xù)低電壓特征，在保護(hù)邏輯中引入電壓量，采用低壓記憶過(guò)流保護(hù)方法對(duì)傳統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)，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(tǒng)的安全水平。

3）基于低壓記憶過(guò)流保護(hù)方法的發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置已完成樣機(jī)研制，并通過(guò)了全部性能及型式試驗(yàn)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(jí)工程師，主要從事船舶電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)研究工作。E-mail：dreamwdl@163.com