高速异步整流发电机过电流保护改进方法

吴大立，雷秉霖，李星宇，徐正喜

高速异步整流发电机过电流保护改进方法

吴大立，雷秉霖，李星宇，徐正喜

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

分析了高速异步整流发电机外部故障条件下传统过电流保护的不足，提出了同时采用电压、电流故障特征量的低压记忆过流保护改进方法，建立了船舶直流电力系统短路仿真模型对低压记忆过流保护性能进行验证，研究结果表明保护能可靠并有选择性切除短路故障，有效提高了船舶直流电力系统的安全水平。

船舶电力系统 电力系统保护 异步发电机 整流发电机

0 引言

高速异步整流发电机在定子上设置励磁绕组与功率绕组，通过电力电子励磁调节器控制励磁绕组无功电流与有功电流，仅依靠磁路联系补偿负载电枢反应的影响，维持功率绕组输出电压稳定，使异步发电技术突破了传统自激式异步发电机依靠离散投切电容而进行电压调节的限制，且具备无刷、简单、转速高、可变转速运行等优点，近年来在舰船、战车和航空航天器等独立电力系统领域备受青睐。文献[1-3]针对定转速型异步整流发电机的电压调节、励磁控制、谐波分析等问题开展了深入研究。文献[4-6]针对变转速运行条件下带整流负载的定子双绕组感应发电机的稳态特性、电压控制等问题进行了详细分析。总的来看，对异步整流发电技术的正常运行与控制技术研究较多，高速异步整流发电机故障保护技术则少见文献报道。文献[7]给出了异步整流发电机直流侧短路时短路电流解析计算方法与电流试验波形，可为系统保护装置的合理选择和设计提供依据。但通过对短路电流波形进一步分析可知，其具有快速衰减特性，传统过电流短延时保护存在拒动风险，因此，本文针对高速异步整流发电机的外部短路保护问题开展研究。

1 基本工作原理与外部短路特性

1.1 基本工作原理

高速异步整流发电机的转子采用带鼠笼铜条的合金实心转子，具有十分高的强度，可与原动机高速直连。高速异步整流发电机定子上有5套三相绕组，其中四套绕组为功率绕组，一套绕组为励磁绕组。四套功率绕组在空间的布置依次相差15°，励磁绕组布置在第2套及第3套绕组之间，与第一套绕组在空间上相差22.5°。五套绕组的中性点悬浮。四套功率绕组输出端各接一个不可控三相整流桥，四个整流桥在直流侧并联。励磁绕组外接一个由逆变桥组成的励磁系统，励磁系统主要为发电机提供无功励磁电流，用以稳定发电机的整流绕组直流侧的直流电压，并吸收少量的有功功率以补充逆变桥中电力电子器件的损耗，维持逆变器的直流侧电压恒定。其原理框图如图1所示：

图1 高速异步整流发电机原理图

1.2 外部短路特性

相关理论分析、仿真、试验结果表明，高速异步整流发电机外部短路特性如下：

1）高速异步整流发电机直流侧突然发生短路时，由于无法检测到定子电压及装置本身软、硬件保护的作用，静止励磁调节器不起作用，由直流侧电容储备的能量也相对较小，因此认为励磁绕组在短路时开路，可忽略该绕组在短路电流计算时的影响，只需考虑功率绕组作用。

2）高速异步整流发电机直流侧短路等效于4套功率绕组交流侧突然12相对称短路，短路瞬间，定子与转子绕组磁链不能突变，定子和转子回路均产生冲击电流。定子短路电流中包含基波分量与非周期直流分量，电流分量衰减时间常数与定、转子参数相关。不计磁路饱和时，短路电流峰值从空载到满载几乎不变，并约在交流周期一半的时刻达到峰值。

3）在短路状态下，静止励磁调节器不能提供无功建立电机电枢磁场，因此，高速异步整流发电机短路电流呈快速衰减特性。一般数十毫秒左右即衰减至0。

某MW级高速异步整流发电机短路电流试验波形如图2所示：

图2 高速异步整流发电机短路电流试验波形

2 低压记忆过流保护方法

在船舶电力系统中，高速异步整流发电机一般用作主供电电源，发电机保护开关采用框架式断路器，配置短延时保护及长延时保护分别对付外部短路与过载故障。由于高速异步整流发电机外部短路时短路电流随时间增长衰减很快，在短延时保护时间范围之内电流有可能下降至短延时保护电流定值以下，传统短延时过流保护无法正确反应故障。考虑到高速异步整流发电机外部短路同时具备暂时过电流与持续低电压特征，因此，在保护逻辑中引入电压量，提出采用低压记忆过流保护方法对传统过电流保护进行改进[8]，以匹配高速异步整流发电机外部故障保护需求。所提出的低压记忆过流保护逻辑如图3所示：

图3 低压记忆过流保护逻辑图

在低压记忆过流保护逻辑方案中，短路电流大于保护定值，经0（2~4 ms）时间连续确认避免干扰影响，电流元件动作。即使电流元件因1（时间定值）较长，受短路电流快速衰减的影响而返回，但其在“或门”自保持逻辑的作用下，其曾经动作过的状态被记忆下来。只要短路故障不消失，电压元件不会返回，电压元件与记忆电流元件经“与门”形成高电平逻辑持续输出直至短延时保护动作。如在1时间内外部短路故障被下级开关切除，电压元件返回，电压元件与记忆电流元件经“与门”输出低电平，短延时保护返回不动作，保证系统保护选择性。

3 仿真验证

3.1 仿真建模

某船舶直流电力系统简图如图4所示。

图4 船舶直流电力系统简图

该电力系统采用高速异步整流发电机与蓄电池组并联供电，直流电能经逆变器、斩波器或变频器进行变换后给供给负载，发电机保护开关Q1采用框架式断路器，配置低压记忆过流保护。直流负载支路(逆变器、斩波器或变频器)的短路保护由混合型限流熔断器(CLF1~CLF3)完成。低压记忆过流保护保护整定值如下：

电流定值set：2.5 pu；

时间定值1：30 ms；

电压定值set：0.4 pu；

为了验证低压记忆过流保护性能，利用MATLAB/SIMULINK建立直流电力系统短路仿真模型，如图5所示。

图5 直流电力系统短路仿真模型

图5仿真模型中，高速异步整流发电机按文献[9]给出的数学模型与控制策略建模，混合型限流熔断器建模方法及参数见文献[10]。分别在直流负载（f1）、直流主配电板（f2）设置短路点进行短路仿真试验。

3.2 仿真结果与分析

3.2.1直流负载短路（f1）

图6为直流负载短路时的电压、电流波形和保护动作逻辑情况。可以看出，第4毫秒直流负载短路，电压下降接近至0、短路电流峰值约16 pu。短路发生后电压元件输出高电平，电流元件经2 ms延时确认后输出高电平；经约2.2 ms时间，短路故障被混合型限流熔断器快速切除，系统出现暂时过电压后恢复至额定电压，电压元件返回，电流元件随之返回，短延时保护不动作，有效实现系统保护选择性。

图6 直流负载侧短路保护动作逻辑信号图

3.2.2直流主配电板短路（f2）

图7为直流主配电板短路时的电压、电流波形和保护动作逻辑情况。可以看出，第5毫秒直流主配电板短路，系统电压下降、短路电流达到峰值后快速衰减。短路发生后电压元件输出高电平，电流元件经2毫秒延时确认后在记忆作用下持续输出高电平。经30毫秒时间定值延时后，短延时保护动作，实现了短路故障的可靠切除。

图7 直流主配电板短路保护动作逻辑信号图

4 结语

本文针对高速异步整流发电机外部短路故障保护方法开展研究，基本结论如下：

1）由于高速异步整流发电机短路电流衰减速度快，传统过电流保护在短延时时间窗内可能会返回，短延时保护在此情况存在拒动风险。

2）充分利用高速异步整流发电机外部短路暂时过电流与持续低电压特征，在保护逻辑中引入电压量，采用低压记忆过流保护方法对传统过电流保护进行改进，保证可靠并有选择性切除外部短路故障，提高了船舶直流电力系统的安全水平。

3）基于低压记忆过流保护方法的发电机保护装置已完成样机研制，并通过了全部性能及型式试验考核。

[1] 傅玉, 马伟明, 王东, 等. 新型定子双绕组自激异步发电机的电压调节, 中国电机工程学报, 2003, 23(3)：121-125

[2] 肖飞, 张波涛, 马伟明, 等. 一种双绕组感应发电机及其励磁控制, 电力系统自动化, 2003, 27(18): 26-29.

[3] 王东, 马伟明, 顾伟峰, 等. 12/3 相双绕组感应发电机的谐波不对称分析, 中国电机工程学报, 2004, 24(5): 148-152.

[4] 李勇, 胡育文, 刘陵顺, 等. 带整流桥负载的定子双绕组感应发电机系统宽转速运行时的稳态特性[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(17): 125-131.

[5] 李勇, 胡育文, 陈光辉, 等. 基于直接功率控制的定子双绕组感应发电机系统电压调节技术[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(26): 111-117.

[6] 李勇, 胡育文, 黄文新, 等. 基于空间电压矢量调制的定子双绕组感应发电机系统电压控制技术[J].中国电机工程学报, 2008, 28(23): 112-118.

[7] 王东, 马伟明, 刘德志, 等. 12/3 相双绕组感应发电机直流侧突然短路电流分析[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(15): 133-139.

[8] 高国庆. 静态励磁发电机低压过流保护实现方案的探讨[J]. 浙江电力,2001, (1): 41-42.

[9] 王东, 马伟明, 李玉梅, 等. 带有静止励磁调节器的双绕组感应发电机的研究[J]. 中国电机工程学报, 2003, 23(7): 145-150.

[10] 吴大立, 徐正喜, 潘德华, 等. 基于混合型限流熔断器的船舶直流电力系统保护技术研究[J]. 船电技术, 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

吴大立(1977-)，男，高级工程师，主要从事船舶电力系统保护技术研究工作。E-mail：dreamwdl@163.com