舰船直流电力系统的快速检测短路故障的保护装置设计

  引言

舰船直流电力系统为了提高功率密度，发电机的超瞬态阻抗设计得很低，加之馈电线路比较短，系统短路时，短路电流上升速度很快，一般需要几ms 内即达到预期短路电流，这要求系统的保护设备具有非常快的反应速度和高的分断能力。通常舰船直流电力系统采用断路器作为主要保护设备，但随着舰船功率密度的增加，一般的断路器很难满足舰船电力系统所需的响应速度和高分断能力，从国内外舰船电力系统综合保护的发展趋势分析，“限流器+ 断路器”的技术方案，能较好地解决舰船中压直流综合电力系统的综合保护问题。

限流器要达到其预期的限流效果，必须在短路发展阶段的初期检测并限制故障电流，即要求故障快速保护装置在微秒量级的时间内完成故障信号的准确判断并发出动作指令，从而有效抑制短路电流对系统的冲击，这对其反应速度提出较高要求，如何快速准确地检测到短路故障是保证限流器性能的关键技术之一。

1 直流系统的故障判别依据

直流系统正常工作启动电流与故障电流之间在特征上有比较明显的区别。系统正常启动时电流上升率很小，一般在kA/s 级。而当直流电力系统发生短路时，故障线路电流的大小和上升率都会远大于正常值，其上升率可能达到正常运行启动电流的上百倍，一般为kA/ms 数量级，而且其幅值也能达到额定工作电流值的几倍到几十倍。因此，可根据短路电流的主要特征，即线路当中出现短路故障时，可在短路电流发展的初期即应用其上升率di /dt 判断线路当中是否有短路故障发生。同时，对电流的幅值大小进行实时判定，也作为判断系统是否有短路发生的依据，从而实现故障保护功能，其故障判断原理如图1 所示。

对照图1，其保护判据为: 设电流互感器的输出ΔU = ΔI Rf，其中的Rf为采样电阻。

Ki对应电流的实际变化率di /dt，则：

由式(1) 可知，当取定Δt 值后，只要能知道ΔU，即Δt 时间内的电压差值，就可知道电流的实际变化率。依此作为一个判据判断供电回路是否发生短路故障。另一个判据就是各采样时刻的实时电流值I。出现的短路的判断依据为:同时满足Ki > k 和I > Is这样两个条件为短路出现。其中K 为电流上升率的设定值，Is为电流的设定值。

2 快速故障保护装置的设计

本文从上面的短路故障判断依据出发，设计了短路故障快速保护装置，其快速检测原理框图如图2 所示。

利用电流传感器将线路中的电流信号转化为电压信号，通过两路比较器对电流信号进行监测。

当线路电流上升使得电压信号达到预设参考电压U1时，比较器1 输出电平上跳，并启动计时电路;当电压信号达到预设参考电压U2时，比较器2 输出电平上跳，并停止计时电路。根据启动和停止时刻间的时间差，可得到对应的电流信号从I1上升到I2的时间Δt，送入数字比较器1 与2 内，分别与预设值的ΔT1和ΔT2进行比较。

利用电流传感器将线路中的电流信号转化为电压信号，通过两路比较器对电流信号进行监测。

当线路电流上升使得电压信号达到预设参考电压U1时，比较器1 输出电平上跳，并启动计时电路;当电压信号达到预设参考电压U2时，比较器2 输出电平上跳，并停止计时电路。根据启动和停止时刻间的时间差，可以得到对应的电流信号从I1上升到I2的时间Δt，送入数字比较器1 与2 内，分别与预设值的ΔT1和ΔT2进行比较。

当Δt < ΔT1时，说明电流上升率大于短路电流上升率，这种情况只可能是由干扰造成的，逻辑处理电路不发出动作信号;当ΔT1 < Δt < ΔT2时，说明电流上升率在短路电流上升率范围内，判定系统发生短路;当Δt > ΔT2时，说明电流上升率小于短路电流上升率，系统处于突加负载或非严重的短路状态，可由其他的保护装置完成保护，不发出动作信号。这种方法既可在短路初期迅速判断出故障，同时也可有效避免干扰和过载等情况造成的误动作。

为满足舰船直流系统快速保护的要求，保护装置必须在< 1 ms 的时间内识别故障并发出驱动信号。为了保证检测电路的快速性、易实现、易调整，对比现有的直流电力系统保护的实现方法，选择用CPLD 实现图2 的计数器电路、数字比较器电路和逻辑处理电路。

CPLD 是一种设计专用集成电路的理想器件，能够由用户编程实现各种逻辑功能，它采用技术，实现了电可擦除、改写，其输出结构为可编程的逻辑单元，具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高、速度快、设计开发周期短、质量稳定以及可实施在线检测等优点。

保护装置中选用的CPLD 器件为Altera 公司的EPM3256A，其为144 管脚TQFP 封装，具有5 000个可编程逻辑门;256 个宏单元;116 个通用输入/输出(I /O)引脚;最高频率达57 MHz;传输7. 5 ns;兼容TTL 输入/输出电平;任何一个I /O接口可编程为组合、时序和锁存方式的输入/输出，或编程为具有三态控制的双向I /O。在本系统中，输入/输出均采用通用I /O 口，最大限度地使用了芯片的口资源。

保护装置的电路原理如图3 所示。电流传感器选用带积分器的Rogowski 线圈，传感器选用额定电流为3 000 A 的电流传感器。逻辑判断模块由CPLD 构成，CPLD 同时负责输出开关和IGBT模块动作信号，装置运行状态指示信号等。

3 试验验证

为验证保护装置的保护性能和快速性，采用基于一次电流转移型限流器进行了限流试验，试验电路如图4 所示。E 为直流电源，它经冲击发电机整流后得到，系统电压1 000 V;L、R 为线路阻抗，通过调整线路阻抗产生短路电流，预期短路电流30 kA、时间常数10 ms，预期短路电流的上升率为3 × 106 A/s; 被测对象是限流器( FaultCurrent limiter，FCL);S 为实验电路的主保护开关。试验中，保护装置检测到短路故障后，立即给限流器动作信号。限流器收到动作信号后，在极短的时间内动作，限制短路电流。短路判断的两个电流整定值分别设为1 kA、3 kA，电流幅值的整定值为3 kA。实验记录线路电流I 和限流器两端的电压U，试验过程记录的波形如图5 所示。

图5 中，曲线1 为限流器的电压信号，曲线2为回路的电流信号，兰色竖线为电流超过3 kA 的时刻，竖线3 为电弧开始产生的时刻。从图5 可以看出，电流从零开始上升，直至线路电流超过3 kA，这时检测电路开始工作，当达到竖线3 所对应的时刻，限流器电压信号开始明显上升，产生了电弧，这表明限流器的负荷开关已从闭合状态过渡至打开过程。图5 中，这段时间为Δt =1 270 μs，包括故障检测时间和负荷开关动作时间两个部分，其中机构试验测得该负荷开关电磁斥力机构动作时间约为900 μs，因此，可得故障检测时间约为370 μs。

自该时刻起，触头上出现电弧，由于电弧停滞现象，电弧在触头上维持不动，这段时间称为电弧停滞时间(t1 ～ t2)，此时电弧长度较短，电弧电压接近于近极压降U0，在电流达到12. 57 kA 的峰值时刻，电弧沿灭弧栅片不断运动，逐渐将栅片电阻串联入回路，短路电流开始下降并随着限流电阻全部串入，电流稳定在U/R 的水平。

试验结果表明，所设计的短路故障保护装置能够在短路故障发生后< 500 μs 内检测到故障，并使限流器动作，降低了回路中的故障电流峰值，抑制了短路电流。

4 结语

本文提出了基于电流变化率di /dt 与电流幅值I 双重判据的快速保护原理，并给出了基于CPLD 实现该保护原理的电路设计思想与基本结构，制作了快速保护装置样机。限流试验结果表明，该装置能够快速判断短路故障，并给限流器机械开关动作信号，装置与机械开关构成的限流器能够有效地抑制故障电流。