基于高速限流重合闸装置的舰船直流电网选择性保护方法

刘路辉 庄劲武 王晨 江壮贤

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

1 引言

随着舰船自动化程度的提高，各种电气设备的使用，舰船电网容量急剧增加。目前，舰船电网发生短路故障时，电流初始上升率达到20 A/μs以上[1,2]，这样高上升率的短路电流不仅对开关极限分断能力提出挑战，而且对现有保护的选择性提出了挑战。陆地电网中常采用的电流选择性保护方法，即通过上下级开关动作整定值的配合来实现选择性的方法，在舰船电网应用中存在问题，这是由于舰船电网具有电气传输距离短、短路电流沿线路衰减很小的特点[3]，快速上升的短路电流往往会使上下两级开关同时动作，导致选择性保护失效。因此，如何实现舰船电网的选择性保护亟待解决。

本文在舰用塑壳开关的脱扣器特性曲线基础上，分析了舰船电网电流原则选择性保护失效的原因，阐述了基于高速限流重合闸装置选择性保护方法的工作原理，实验证明该方法可实现舰船直流电网的选择性保护。

2 舰船电网电流原则选择性保护失效原因分析

图1为通过仿真和实验得到的不同短路电流上升率条件下的300 A和 1000 A塑壳开关的电磁脱扣器[4,5]特性曲线。曲线（1）为300 A塑壳开关的电磁脱扣器特性曲线，曲线（2）为1000 A塑壳开关的电磁脱扣器特性曲线，曲线（3）为300 A塑壳开关分断不同上升率短路电流的峰值曲线。

以短路电流上升率5 A/μs为例说明电流原则选择性保护失效原因：300 A塑壳开关在短路电流到达A点时电磁脱扣器动作，动静触头开始建立电弧，短路电流继续上升到达峰值C点，此时短路电流超过了 1000 A塑壳开关脱扣动作值 B点，因此，1000 A塑壳开关也脱扣动作，造成上下级开关的选择性保护失效。当短路电流上升率小于1.7 A/μs时，300 A塑壳开关脱扣器动作后，短路电流上升峰值小于1000 A 塑壳开关脱扣器动作值，1000 A 塑壳开关不动作，可实现选择性保护。就是说在曲线（2）和曲线（3）交点以上部分，即短路电流上升率较高时，电流原则不能实现选择性保护；而在交点以下部分，即短路电流上升率较低时，可以实现选择性保护。

图1 不同电流上升率条件下，塑壳开关电磁脱扣器特性曲线

3 基于高速限流重合闸装置的选择性保护方法工作原理

针对上述继电保护设备无法满足高电流上升率情况下选择性保护的问题，在系统原有上下级开关之间安装一台具有高速限流及智能重合闸功能的新型保护装置——高速限流重合闸装置（由HLB表示），如图 2所示。通过该装置和原有上下级开关动作特性的合理配合，在下级发生任何上升率短路电流的故障时，首先通过的HLB的快速限流，避免上级开关动作，故障支路开关跳开后， HLB快速重合闸恢复对无故障支路的供电，实现系统的选择性保护。

图2 基于高速限流重合闸装置的选择性保护

以图 2为例说明，K1为主回路开关，HLB为高速限流重合闸装置，A点为母线出口，K2、K3分别为支路开关，M1、M2为挂在各支路上的电动机负载。当支路2发生短路故障时，HLB首先在1～2 ms之内快速限流分断， K3随后也分断动作，因HLB限流动作如此之快，可将短路电流峰值限制在K1脱扣器动作值以下，因此K1未动作。即支路2发生短路故障时，下级开关K3瞬时动作而上级开关 K1保持闭合状态，实现了开关动作的选择性，如图3所示。曲线（1）为300 A塑壳开关的电磁脱扣器特性曲线，曲线（2）为1000 A塑壳开关的电磁脱扣器特性曲线，曲线（3）为HLB限制短路电流峰值曲线。通过HLB的引入，在不同电流上升率条件下，短路电流峰值都被限制在1000 A断路器和300 A 断路器短路保护脱扣器特性曲线之间，从而满足了系统保护的选择性需要。

图 3 新型选择性保护方法原理示意图

K3动作将短路故障切除后，由于非故障支路1存在电动机负载，A点处电压快速上升为电动机反电动势电压，HLB的控制电路通过检测此电量来判断下级开关已完全分断，故障已切除，发出重合闸指令，HLB可在10～20 ms时间内完成重合闸动作，恢复对非故障区支路1的供电，保证系统供电连续性和稳定性。

4 高速重合闸装置简介及实验

4.1 高速重合闸装置简介

高速限流重合闸装置[6,7]的原理图如图 4所示，它的基本结构采用了混合限流技术，主要由超高速永磁斥力开关、塑壳选路开关，快速熔断器和测控电路等组成。该装置利用快速熔断器与斥力开关的触头并联，由斥力开关承担稳态过程，而快速熔断器承担动态过程。其中斥力开关采用了电磁斥力机构和永磁操动机构，分断速度快（约100～200 μs）、可靠性高和结构简单。当系统发生短路故障时，斥力开关触头分断，短路电流转换至快熔上，从而保证开关快速无弧分断短路电流，并有效地限制了短路电流峰值。装置设有塑壳选路开关，并有两路快速熔断器，用于动作后功能快恢复。当测控电路确定下级开关分断后，将斥力开关快速重合闸。该装置具有通态损耗低、限流水平高、可控性好、快恢复等优点。

图4 高速限流重合闸装置的原理图

4.2 实验分析

实验系统框图如图5所示。其中：S为系统电源，它由E（DC690 V）、L0、R0组成，L0、R0决定了预期短路电流峰值和时间常数；HLB为限流保护装置；K1为1000 A塑壳开关，模拟回路主开关；K2为300 A塑壳开关，短路支路的保护开关；K3为300 A塑壳开关，用于电动机启动电阻R的切除；KS为带电操机构的1000 A塑壳开关，用于模拟短路故障的产生和切除；M为10 kW的直流并励电动机。利用原理样机进行预期电流峰值100 kA，时间常数为7 ms的短路模拟实验，采集了主电路电流id，HLB两端电压Ud和电动机M两端电压Um三个量。波形见图6。

图5 实验电路

图6 实验波形

从波形可以看出，HLB成功地将短路电限流分断，限流峰值15.4 kA，并且在故障排除后50 ms内重合闸，恢复对非故障支路的供电，实现了电网的选择性保护。

5 结束语

（1）在舰用塑壳开关的电磁脱扣器特性曲线基础上，分析了舰船电网电流原则选择性保护失效的原因。

（2）高速限流重合闸装置可快速限流，智能重合，基于该装置的选择性保护方法可以实现对舰船直流电网的选择性保护。

（3）高速限流重合闸装置的成功研制为新型选择性保护方法的应用提供了现实可能，该方法对原有继电保护系统改动较小，应用前景广阔。

[1] 王庆红. 舰船综合电力系统总体概念研究的思考[J]. 中国舰船研究，2006，3：25-29.

[2] 郝鹏，刘维亭，庄肖波等.舰船电力系统短路计算及仿真[J].华东船舶工业学院学报(自然科学版)，2003.10：11—15.

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[4] 葛大麟，张自中. 低压断路器的能量选择性技术.低压电器，2000，（5）：12-16.

[5] 徐懋生，何新岚，徐应跃.也谈“低压断路器的能量选择性技术”. 低压电器，2001，（3）：14-15.

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