引言

艦船直流電力系統(tǒng)為了提高功率密度，發(fā)電機(jī)的超瞬態(tài)阻抗設(shè)計(jì)得很低，加之饋電線路比較短，系統(tǒng)短路時(shí)，短路電流上升速度很快，一般需要幾ms 內(nèi)即達(dá)到預(yù)期短路電流，這要求系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備具有非常快的反應(yīng)速度和高的分?jǐn)嗄芰ΑＭǔＥ灤绷麟娏ο到y(tǒng)采用斷路器作為主要保護(hù)設(shè)備，但隨著艦船功率密度的增加，一般的斷路器很難滿足艦船電力系統(tǒng)所需的響應(yīng)速度和高分?jǐn)嗄芰?，從?guó)內(nèi)外艦船電力系統(tǒng)綜合保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)分析，“限流器+ 斷路器”的技術(shù)方案，能較好地解決艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)的綜合保護(hù)問(wèn)題。

限流器要達(dá)到其預(yù)期的限流效果，必須在短路發(fā)展階段的初期檢測(cè)并限制故障電流，即要求故障快速保護(hù)裝置在微秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成故障信號(hào)的準(zhǔn)確判斷并發(fā)出動(dòng)作指令，從而有效抑制短路電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊，這對(duì)其反應(yīng)速度提出較高要求，如何快速準(zhǔn)確地檢測(cè)到短路故障是保證限流器性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 直流系統(tǒng)的故障判別依據(jù)

直流系統(tǒng)正常工作啟動(dòng)電流與故障電流之間在特征上有比較明顯的區(qū)別。系統(tǒng)正常啟動(dòng)時(shí)電流上升率很小，一般在kA/s 級(jí)。而當(dāng)直流電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，故障線路電流的大小和上升率都會(huì)遠(yuǎn)大于正常值，其上升率可能達(dá)到正常運(yùn)行啟動(dòng)電流的上百倍，一般為kA/ms 數(shù)量級(jí)，而且其幅值也能達(dá)到額定工作電流值的幾倍到幾十倍。因此，可根據(jù)短路電流的主要特征，即線路當(dāng)中出現(xiàn)短路故障時(shí)，可在短路電流發(fā)展的初期即應(yīng)用其上升率di /dt 判斷線路當(dāng)中是否有短路故障發(fā)生。同時(shí)，對(duì)電流的幅值大小進(jìn)行實(shí)時(shí)判定，也作為判斷系統(tǒng)是否有短路發(fā)生的依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)功能，其故障判斷原理如圖1 所示。

對(duì)照?qǐng)D1，其保護(hù)判據(jù)為: 設(shè)電流互感器的輸出ΔU = ΔI Rf，其中的Rf為采樣電阻。

Ki對(duì)應(yīng)電流的實(shí)際變化率di /dt，則：

由式(1) 可知，當(dāng)取定Δt 值后，只要能知道ΔU，即Δt 時(shí)間內(nèi)的電壓差值，就可知道電流的實(shí)際變化率。依此作為一個(gè)判據(jù)判斷供電回路是否發(fā)生短路故障。另一個(gè)判據(jù)就是各采樣時(shí)刻的實(shí)時(shí)電流值I。出現(xiàn)的短路的判斷依據(jù)為:同時(shí)滿足Ki > k 和I > Is這樣兩個(gè)條件為短路出現(xiàn)。其中K 為電流上升率的設(shè)定值，Is為電流的設(shè)定值。

2 快速故障保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

本文從上面的短路故障判斷依據(jù)出發(fā)，設(shè)計(jì)了短路故障快速保護(hù)裝置，其快速檢測(cè)原理框圖如圖2 所示。

利用電流傳感器將線路中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)兩路比較器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

當(dāng)線路電流上升使得電壓信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)參考電壓U1時(shí)，比較器1 輸出電平上跳，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)電路;當(dāng)電壓信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)參考電壓U2時(shí)，比較器2 輸出電平上跳，并停止計(jì)時(shí)電路。根據(jù)啟動(dòng)和停止時(shí)刻間的時(shí)間差，可得到對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)從I1上升到I2的時(shí)間Δt，送入數(shù)字比較器1 與2 內(nèi)，分別與預(yù)設(shè)值的ΔT1和ΔT2進(jìn)行比較。

利用電流傳感器將線路中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)兩路比較器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

當(dāng)線路電流上升使得電壓信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)參考電壓U1時(shí)，比較器1 輸出電平上跳，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)電路;當(dāng)電壓信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)參考電壓U2時(shí)，比較器2 輸出電平上跳，并停止計(jì)時(shí)電路。根據(jù)啟動(dòng)和停止時(shí)刻間的時(shí)間差，可以得到對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)從I1上升到I2的時(shí)間Δt，送入數(shù)字比較器1 與2 內(nèi)，分別與預(yù)設(shè)值的ΔT1和ΔT2進(jìn)行比較。

當(dāng)Δt < ΔT1時(shí)，說(shuō)明電流上升率大于短路電流上升率，這種情況只可能是由干擾造成的，邏輯處理電路不發(fā)出動(dòng)作信號(hào);當(dāng)ΔT1 < Δt < ΔT2時(shí)，說(shuō)明電流上升率在短路電流上升率范圍內(nèi)，判定系統(tǒng)發(fā)生短路;當(dāng)Δt > ΔT2時(shí)，說(shuō)明電流上升率小于短路電流上升率，系統(tǒng)處于突加負(fù)載或非嚴(yán)重的短路狀態(tài)，可由其他的保護(hù)裝置完成保護(hù)，不發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。這種方法既可在短路初期迅速判斷出故障，同時(shí)也可有效避免干擾和過(guò)載等情況造成的誤動(dòng)作。

為滿足艦船直流系統(tǒng)快速保護(hù)的要求，保護(hù)裝置必須在< 1 ms 的時(shí)間內(nèi)識(shí)別故障并發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為了保證檢測(cè)電路的快速性、易實(shí)現(xiàn)、易調(diào)整，對(duì)比現(xiàn)有的直流電力系統(tǒng)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法，選擇用CPLD 實(shí)現(xiàn)圖2 的計(jì)數(shù)器電路、數(shù)字比較器電路和邏輯處理電路。

CPLD 是一種設(shè)計(jì)專用集成電路的理想器件，能夠由用戶編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能，它采用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電可擦除、改寫，其輸出結(jié)構(gòu)為可編程的邏輯單元，具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高、速度快、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)施在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

保護(hù)裝置中選用的CPLD 器件為Altera 公司的EPM3256A，其為144 管腳TQFP 封裝，具有5 000個(gè)可編程邏輯門;256 個(gè)宏單元;116 個(gè)通用輸入/輸出(I /O)引腳;最高頻率達(dá)57 MHz;傳輸7. 5 ns;兼容TTL 輸入/輸出電平;任何一個(gè)I /O接口可編程為組合、時(shí)序和鎖存方式的輸入/輸出，或編程為具有三態(tài)控制的雙向I /O。在本系統(tǒng)中，輸入/輸出均采用通用I /O 口，最大限度地使用了芯片的口資源。

保護(hù)裝置的電路原理如圖3 所示。電流傳感器選用帶積分器的Rogowski 線圈，傳感器選用額定電流為3 000 A 的電流傳感器。邏輯判斷模塊由CPLD 構(gòu)成，CPLD 同時(shí)負(fù)責(zé)輸出開關(guān)和IGBT模塊動(dòng)作信號(hào)，裝置運(yùn)行狀態(tài)指示信號(hào)等。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證保護(hù)裝置的保護(hù)性能和快速性，采用基于一次電流轉(zhuǎn)移型限流器進(jìn)行了限流試驗(yàn)，試驗(yàn)電路如圖4 所示。E 為直流電源，它經(jīng)沖擊發(fā)電機(jī)整流后得到，系統(tǒng)電壓1 000 V;L、R 為線路阻抗，通過(guò)調(diào)整線路阻抗產(chǎn)生短路電流，預(yù)期短路電流30 kA、時(shí)間常數(shù)10 ms，預(yù)期短路電流的上升率為3 × 106 A/s; 被測(cè)對(duì)象是限流器( FaultCurrent limiter，F(xiàn)CL);S 為實(shí)驗(yàn)電路的主保護(hù)開關(guān)。試驗(yàn)中，保護(hù)裝置檢測(cè)到短路故障后，立即給限流器動(dòng)作信號(hào)。限流器收到動(dòng)作信號(hào)后，在極短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，限制短路電流。短路判斷的兩個(gè)電流整定值分別設(shè)為1 kA、3 kA，電流幅值的整定值為3 kA。實(shí)驗(yàn)記錄線路電流I 和限流器兩端的電壓U，試驗(yàn)過(guò)程記錄的波形如圖5 所示。

圖5 中，曲線1 為限流器的電壓信號(hào)，曲線2為回路的電流信號(hào)，蘭色豎線為電流超過(guò)3 kA 的時(shí)刻，豎線3 為電弧開始產(chǎn)生的時(shí)刻。從圖5 可以看出，電流從零開始上升，直至線路電流超過(guò)3 kA，這時(shí)檢測(cè)電路開始工作，當(dāng)達(dá)到豎線3 所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，限流器電壓信號(hào)開始明顯上升，產(chǎn)生了電弧，這表明限流器的負(fù)荷開關(guān)已從閉合狀態(tài)過(guò)渡至打開過(guò)程。圖5 中，這段時(shí)間為Δt =1 270 μs，包括故障檢測(cè)時(shí)間和負(fù)荷開關(guān)動(dòng)作時(shí)間兩個(gè)部分，其中機(jī)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)得該負(fù)荷開關(guān)電磁斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間約為900 μs，因此，可得故障檢測(cè)時(shí)間約為370 μs。

自該時(shí)刻起，觸頭上出現(xiàn)電弧，由于電弧停滯現(xiàn)象，電弧在觸頭上維持不動(dòng)，這段時(shí)間稱為電弧停滯時(shí)間(t1 ～ t2)，此時(shí)電弧長(zhǎng)度較短，電弧電壓接近于近極壓降U0，在電流達(dá)到12. 57 kA 的峰值時(shí)刻，電弧沿滅弧柵片不斷運(yùn)動(dòng)，逐漸將柵片電阻串聯(lián)入回路，短路電流開始下降并隨著限流電阻全部串入，電流穩(wěn)定在U/R 的水平。

試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的短路故障保護(hù)裝置能夠在短路故障發(fā)生后< 500 μs 內(nèi)檢測(cè)到故障，并使限流器動(dòng)作，降低了回路中的故障電流峰值，抑制了短路電流。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于電流變化率di /dt 與電流幅值I 雙重判據(jù)的快速保護(hù)原理，并給出了基于CPLD 實(shí)現(xiàn)該保護(hù)原理的電路設(shè)計(jì)思想與基本結(jié)構(gòu)，制作了快速保護(hù)裝置樣機(jī)。限流試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠快速判斷短路故障，并給限流器機(jī)械開關(guān)動(dòng)作信號(hào)，裝置與機(jī)械開關(guān)構(gòu)成的限流器能夠有效地抑制故障電流。