某水下拖曳电缆过电流保护技术研究

庞广智，易 辉

（中船重工第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

某水下拖曳电缆过电流保护技术研究

庞广智，易 辉

（中船重工第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

为提高水下拖曳电缆的可靠性和安全性，以过电流保护为出发点，从对称分量角度对过电流特征进行了分析、划分和整定，进一步完成了某水下拖曳电缆过电流保护器的总体及软硬件设计，并经模拟试验验证了其功能性，为后继系统航行试验打下基础。

水下拖曳电缆；过流保护；对称分量

0 引言

某水下拖曳电缆由转接缆、复合缆和分支缆，并通过水密连接器连成一体，上端与AC380V船电相接，下端与水下探测设备的三相异步电动机相连，如图1。

500m复合缆拖曳探测器航行于水下，通过电缆内部的三根 16.7mm2线为探测器的电动机供电。因水下使用环境复杂，对电缆存在威胁，重点是分支缆及两端连接器的破坏，海水会引起结构件不同程度的短路，甚至烧结。因此，有必要在提高电缆外部结构强度的同时，对电缆的过电流保护技术进行研究，进一步提高产品的可靠性和安全性。

1 过电流特征分析

该水下拖曳缆系统属于低压电网供电，从对称分量法考虑，过电流有对称和非对称两种状态。前者包括过载和三相短路；后者包括两相短路、单相接地和断相。为提高电缆过流保护的有效性，需分析各状态特征，从而确定判断阀值，对各状态予以整定。

1.1 对称状态特征分析与整定

过电流对称状态的传统保护方式为“鉴幅式”，即以线路电流的幅值为判据，但异步电动机的正常起动电流（或过载）与电缆末端的三相短路电流十分接近，若整定值过小，电机起动时会造成误动作；若整定值偏大，电网末端短路时会引起保护拒动，因此“鉴幅式”存在判定局限[1]。

图1 某水下拖曳电缆示意图

研究发现，异步电动机的起动电流虽大，但功率因数很低，一般在 0.35～0.45左右，而三相短路时，功率因数很高（接近于1），相位角为0°～20°，属于“鉴相式”方法。综合两种方法优势，可作为电机起动（或过载）和线路短路的判断条件[1]。为此，将两者线性叠加，建立临界动作曲线[2]：

式中，c1和c2为常数；Is是实际电流与电缆最大三相短接电流的比值；cosΦ为功率因数。

实际使用中，电缆短路电流和起动电流一样，也在额定电流的1～3倍之间，为躲过起动区间并不产生拒动，在此取c1=1.1和c2=0.9，临界线如图2所示。

图2 对称状态过流保护线

1.2 非对称状态特征分析与整定

过电流非对称状态包括两相短路、单相接地短路及断相三种情况。在水下低压电网发生不对称故障时，与对称故障相比，最重要的特征是线路中存在负序电流，或与零序电流同时存在。

其中零序电流大于零可判断单相接地故障；而对于两相短路与断相可通过负序电流来判定，经相关学者研究发现，两相短路时的负序电流介于额定电流的2.5～4之间[3]，而断相时的负序电流介于额定电流的0.87～0.92之间[3]，在此选0.87倍的额定电流为两相短路或断相的判断阀值。综合两个判别式，可对非对称状态进行整定。

2 过电流保护器设计

2.1 过电流保护器总体设计

过电流保护器由上位机RS232串口通信、下位机过电流保护判断、电机软启动器及外围继电器电路三个功能模块组成，详见图3。

图3 过电流保护器总体原理框图

2.2 过电流保护器硬件设计

2.2.1 下位机功能设计

过流保护器选用单片机8031作为处理器进行故障状态判断与数据处理；选用锁存器 74ALS373和模数转换器ADC0809为前置通道,进行数据采集，并通过中断方式进行转换数据的传送[4]；后置通道选用光电耦合驱动晶闸管功率开关控制继电器、实施保护，见图4。

图4 下位机功能模块图

2.2.2 软启动器与外围电路

软启动器选用Schneider ATS48软起动-停止单元，在其外围建立继电器逻辑电路实现对电机的各种控制；选用零序电流滤波器和负序电流滤波器，完成零序电压和负序电压输出，供下位机判断，见图5。

图5 电机软启动器及外围控制电路

2.3 过电流保护器软件设计

按照过电流状态整定要求及通信功能，对过电流保护器软件进行设计[2]，流程图详见图6和图7，初始化及各过电流状态整定值见表1。

表1 初始化及过电流整定值

图6 过电流保护主程序

图7 过电流中断程序

3 实验与验证

为充分验证过流保护器的功能性，现用电阻代替复合缆，通过开关方式模拟各过流保护状态，建立试验电路如图8所示，各过电流状态测试值如表2所示。

表2 各过电流状态测试值

图8 试验方案电路图

4 结论

1）从对称分量角度分析水下电缆过电流特征的方法是可行的，解决了对称与非对称故障的难区分问题；

2）采用鉴幅式与鉴相式线性组合的方法，有效区分了对称过流中的过载与三相短路状态，解决了两者重叠区的辨识问题；

3）从零序电流和负序电流概念出发，区分了单相接地与两相短路或断路状态，解决了非对称过流中的状态区分问题；

4）设计的过电流保护器经模拟试验，验证了功能可行性；

因水下拖曳电缆实际使用中的过电流故障，可能是几种状态的叠加，比模拟试验复杂得多，需要系统航行试验做进一步的验证。

[1] 郭峰, 于群, 等. 基于相敏保护的功率因数分析[J].电子质量, 2011(11): 18-19.

[2] 宋建成, 谢恒, 等. 基于功率因数检测的矿井低压电网相敏保护的研究[J]. 电网技术, 1999, 23(2):2-3.

[3] 李荣华. 高压电动机负序电流保护整定时须注意的问题[J]. 电气开关, 2008(4): 12-14.

[4] 孙进平, 张大鹏, 等. 51系列单片机原理、开发与应用实例[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009.

Research on Over-current Protection Technology of Underwater Towed Cable

PANG Guang-zhi，YI Hui
(No. 710 Research Institute, CSIC, Yichang 443003, China)

From the point of symmetrical component, the over-current characteristics are analyzed,differentiated and set to protect the current, so that the reliability and safety of the underwater towed cable are improved. The overall design and the design for software and hardware of the over-current protector are introduced, which function is validated by simulation test. The foundation of system performance in sea trial to be followed up is laid.

underwater towed cable; over-current protection; symmetrical component

TM772

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.007

庞广智（1983-），男，硕士、工程师，主要研究方向为水下探测技术。