高速異步整流發(fā)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(fā)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(shè)計研究所，武漢 430064）

分析了高速異步整流發(fā)電機外部故障條件下傳統(tǒng)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(tǒng)短路仿真模型對低壓記憶過流保護性能進行驗證，研究結(jié)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(tǒng)的安全水平。

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

0 引言

高速異步整流發(fā)電機在定子上設(shè)置勵磁繞組與功率繞組，通過電力電子勵磁調(diào)節(jié)器控制勵磁繞組無功電流與有功電流，僅依靠磁路聯(lián)系補償負(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)電機依靠離散投切電容而進行電壓調(diào)節(jié)的限制，且具備無刷、簡單、轉(zhuǎn)速高、可變轉(zhuǎn)速運行等優(yōu)點，近年來在艦船、戰(zhàn)車和航空航天器等獨立電力系統(tǒng)領(lǐng)域備受青睞。文獻[1-3]針對定轉(zhuǎn)速型異步整流發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)、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(zhuǎn)速運行條件下帶整流負(fù)載的定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)特性、電壓控制等問題進行了詳細(xì)分析。總的來看，對異步整流發(fā)電技術(shù)的正常運行與控制技術(shù)研究較多，高速異步整流發(fā)電機故障保護技術(shù)則少見文獻報道。文獻[7]給出了異步整流發(fā)電機直流側(cè)短路時短路電流解析計算方法與電流試驗波形，可為系統(tǒng)保護裝置的合理選擇和設(shè)計提供依據(jù)。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(tǒng)過電流短延時保護存在拒動風(fēng)險，因此，本文針對高速異步整流發(fā)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(fā)電機的轉(zhuǎn)子采用帶鼠籠銅條的合金實心轉(zhuǎn)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(fā)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(cè)并聯(lián)。勵磁繞組外接一個由逆變橋組成的勵磁系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)主要為發(fā)電機提供無功勵磁電流，用以穩(wěn)定發(fā)電機的整流繞組直流側(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)電機原理圖

1.2 外部短路特性

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

1）高速異步整流發(fā)電機直流側(cè)突然發(fā)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(diào)節(jié)器不起作用，由直流側(cè)電容儲備的能量也相對較小，因此認(rèn)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(fā)電機直流側(cè)短路等效于4套功率繞組交流側(cè)突然12相對稱短路，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，電流分量衰減時間常數(shù)與定、轉(zhuǎn)子參數(shù)相關(guān)。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(tài)下，靜止勵磁調(diào)節(jié)器不能提供無功建立電機電樞磁場，因此，高速異步整流發(fā)電機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級高速異步整流發(fā)電機短路電流試驗波形如圖2所示：

圖2 高速異步整流發(fā)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(tǒng)中，高速異步整流發(fā)電機一般用作主供電電源，發(fā)電機保護開關(guān)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(fā)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(nèi)電流有可能下降至短延時保護電流定值以下，傳統(tǒng)短延時過流保護無法正確反應(yīng)故障?？紤]到高速異步整流發(fā)電機外部短路同時具備暫時過電流與持續(xù)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(tǒng)過電流保護進行改進[8]，以匹配高速異步整流發(fā)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(jīng)0（2~4 ms）時間連續(xù)確認(rèn)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(jīng)動作過的狀態(tài)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(jīng)“與門”形成高電平邏輯持續(xù)輸出直至短延時保護動作。如在1時間內(nèi)外部短路故障被下級開關(guān)切除，電壓元件返回，電壓元件與記憶電流元件經(jīng)“與門”輸出低電平，短延時保護返回不動作，保證系統(tǒng)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(tǒng)簡圖如圖4所示。

圖4 船舶直流電力系統(tǒng)簡圖

該電力系統(tǒng)采用高速異步整流發(fā)電機與蓄電池組并聯(lián)供電，直流電能經(jīng)逆變器、斬波器或變頻器進行變換后給供給負(fù)載，發(fā)電機保護開關(guān)Q1采用框架式斷路器，配置低壓記憶過流保護。直流負(fù)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(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)電機按文獻[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)見文獻[10]。分別在直流負(fù)載（f1）、直流主配電板（f2）設(shè)置短路點進行短路仿真試驗。

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)載短路時的電壓、電流波形和保護動作邏輯情況。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延時確認(rèn)后輸出高電平；經(jīng)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(tǒng)出現(xiàn)暫時過電壓后恢復(fù)至額定電壓，電壓元件返回，電流元件隨之返回，短延時保護不動作，有效實現(xiàn)系統(tǒng)保護選擇性。

圖6 直流負(fù)載側(cè)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(tǒng)電壓下降、短路電流達到峰值后快速衰減。短路發(fā)生后電壓元件輸出高電平，電流元件經(jīng)2毫秒延時確認(rèn)后在記憶作用下持續(xù)輸出高電平。經(jīng)30毫秒時間定值延時后，短延時保護動作，實現(xiàn)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(jié)語

本文針對高速異步整流發(fā)電機外部短路故障保護方法開展研究，基本結(jié)論如下：

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

2）充分利用高速異步整流發(fā)電機外部短路暫時過電流與持續(xù)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(tǒng)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(tǒng)的安全水平。

3）基于低壓記憶過流保護方法的發(fā)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。

[1] 傅玉, 馬偉明, 王東, 等. 新型定子雙繞組自激異步發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié), 中國電機工程學(xué)報, 2003, 23(3)：121-125

[2] 肖飛, 張波濤, 馬偉明, 等. 一種雙繞組感應(yīng)發(fā)電機及其勵磁控制, 電力系統(tǒng)自動化, 2003, 27(18): 26-29.

[3] 王東, 馬偉明, 顧偉峰, 等. 12/3 相雙繞組感應(yīng)發(fā)電機的諧波不對稱分析, 中國電機工程學(xué)報, 2004, 24(5): 148-152.

[4] 李勇, 胡育文, 劉陵順, 等. 帶整流橋負(fù)載的定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)寬轉(zhuǎn)速運行時的穩(wěn)態(tài)特性[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2008, 28(17): 125-131.

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[8] 高國慶. 靜態(tài)勵磁發(fā)電機低壓過流保護實現(xiàn)方案的探討[J]. 浙江電力,2001, (1): 41-42.

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[10] 吳大立, 徐正喜, 潘德華, 等. 基于混合型限流熔斷器的船舶直流電力系統(tǒng)保護技術(shù)研究[J]. 船電技術(shù), 2012, 32(12): 1-3.

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(tǒng)保護技術(shù)研究工作。E-mail：dreamwdl@163.com