摘要：目前，我国的综合国力在快速的发展，社会在不断的进步，文章主要针对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进行分析与研究，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。
关键词：船舶电力系统；电力系统保护；异步发电机；整流发电机
引言
自并励励磁系统是指为发电机端部的静止励磁系统提供整流电源装置的系统。发电机自动励磁调节装置（ＡＶＲ）通过调节、限制、切换等方法对励磁系统起到限制和保护的作用，主要包括，低励磁限制和保护、过励磁限制和保护、励磁过电流限制和保护等。其动作顺序是，先进行限制，使ＡＶＲ恢复至正常工作状态；当限制器动作后ＡＶＲ仍然不能恢复至正常工况工作时，再由ＡＶＲ的保护延时动作，将ＡＶＲ由工作通道切换至备用通道或自动切至手动（有时延时将ＡＶＲ切至５０Ｈｚ手动）；如仍然不能恢复至正常工况工作，最后由发电机继电保护作用，实现停机。但是，当前多数电厂的发电机变压器组保护在进行整定计算时，容易忽略与ＡＶＲ的配合，导致一旦励磁系统出现异常，发电机变压器组保护立即动作，导致机组停机。
1励磁调节系统的主要控制、保护、限制功能
微机励磁调节器不同于常规模拟式励磁调节器，它的功能不是由硬件来实现，而是由软件来完成的，可依据不同的要求来选取软件模块，其主要功能模块除了包括恒发电机机端电压、恒发电机转子电流、恒功率因数、恒无功的PID调节，还包括有欠励瞬时限制及保护、过励延时限制、强励的反时限制及保护、最大励磁电流瞬时限制及保护、可控硅整流柜快熔断、停风、部分柜切除时的励磁电流限制、V/F限制及保护、励磁用电压互感器高压侧断路的检测和保护、空载过压限制及保护、转子过热保护、电力系统稳定器（PSS）附加控制等保护和限制单元。
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，以匹配高速异步整流发电机外部故障保护需求。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t0（2~4ms）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t1（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t1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配合方案
发电机转子过电流保护在整定时，必须与发电机转子绕组允许过电流特性曲线，发电机ＡＶＲ励磁过电流限制、保护相互配合计算。ａ．发电机允许发热时间常数≥发电机转子过电流保护发热时间常数整定值＞ＡＶＲ励磁过电流保护发热时间常数整定值＞ＡＶＲ励磁过电流限制发热时间常数整定值。ｂ．发电机转子过电流保护下限动作电流整定值＞ＡＶＲ励磁过电流保护下限动作电流整定值＝ＡＶＲ励磁过电流限制下限动作电流整定值。ｃ．发电机转子过电流保护上限动作电流整定值＞ＡＶＲ励磁过电流保护上限动作电流整定值＞ＡＶＲ励磁过电流限制上限动作电流整定值。ｄ．发电机转子过电流保护上限动作时间整定值＞ＡＶＲ励磁过电流保护上限动作时间整定值＞ＡＶＲ励磁过电流限制上限动作时间整定值。
4励磁V/F限制与发电机、主变过激磁保护的配合
大型发电机变压器组都分别设置发电机过激磁保护和变压器过激磁保护，以防止铁心饱和引起的发电机定位筋部位局部过热和变压器局部过热变形损伤绝缘介质。发电机变压器组的过激磁一般在未与系统并列时发生，如发变组在与系统并列前由于操作失误误加较大的励磁电流；发电机在启动过程中，转子低速预热时误将发电机电压上升到额定值；在切除机组过程中，主汽门关闭，出口断路器断开，而灭磁开关拒动，此时原动机减速，而自动电压调节器力求维持机端电压至额定；线路断路器跳闸或发变组出口断路器跳闸，自动励磁调节装置失灵或退出自动，则电压迅速升高，频率虽也升高，但相对缓慢引起过激磁。按照整定导则，当发电机与主变压器之间无断路器而共用一套过激磁保护时，其整定值按发电机或变压器过激磁能力较低的要求整定，当发电机与变压器间有断路器而分别配置过励磁保护时，其定值按发电机与变压器允许的不同过励倍数分别整定，反时限过励磁保护按发电机、变压器制造厂家提供的反时限过励磁特性曲线（参数）整定，保护动作于解列灭磁。因此在整定励磁调节器V/F限制单元定值时要充分考虑与以上发电机变压器的过激磁保护定值的配合，其V/F限制定值不得高于发电机、变压器过激磁保护定值。若是反时限特性，曲线之间要配合，无论何时，要保证励磁调节器V/F限制先动作加以限制，若限制无效，启动保护动作。
5仿真建模
某船舶直流电力系统简图如图1所示。
图1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Iset：2.5pu；时间定值t1：30ms；电压定值Uset：0.4pu。
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。
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论文作者:姚华实,张峰,于佳田
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/11
标签：发电机论文; 电流论文; 励磁论文; 定值论文; 动作论文; 变压器论文; 电压论文; 《基层建设》2019年第23期论文;