引言

艦船直流電力系統為了提高功率密度，發電機的超瞬態阻抗設計得很低，加之饋電線路比較短，系統短路時，短路電流上升速度很快，一般需要幾ms 內即達到預期短路電流，這要求系統的保護設備具有非常快的反應速度和高的分斷能力。通常艦船直流電力系統采用斷路器作為主要保護設備，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所需的響應速度和高分斷能力，從國內外艦船電力系統綜合保護的發展趨勢分析，“限流器+ 斷路器”的技術方案，能較好地解決艦船中壓直流綜合電力系統的綜合保護問題。

限流器要達到其預期的限流效果，必須在短路發展階段的初期檢測并限制故障電流，即要求故障快速保護裝置在微秒量級的時間內完成故障信號的準確判斷并發出動作指令，從而有效抑制短路電流對系統的沖擊，這對其反應速度提出較高要求，如何快速準確地檢測到短路故障是保證限流器性能的關鍵技術之一。

1 直流系統的故障判別依據

直流系統正常工作啟動電流與故障電流之間在特征上有比較明顯的區別。系統正常啟動時電流上升率很小，一般在kA/s 級。而當直流電力系統發生短路時，故障線路電流的大小和上升率都會遠大于正常值，其上升率可能達到正常運行啟動電流的上百倍，一般為kA/ms 數量級，而且其幅值也能達到額定工作電流值的幾倍到幾十倍。因此，可根據短路電流的主要特征，即線路當中出現短路故障時，可在短路電流發展的初期即應用其上升率di /dt 判斷線路當中是否有短路故障發生。同時，對電流的幅值大小進行實時判定，也作為判斷系統是否有短路發生的依據，從而實現故障保護功能，其故障判斷原理如圖1 所示。

對照圖1，其保護判據為: 設電流互感器的輸出ΔU = ΔI Rf，其中的Rf為采樣電阻。

Ki對應電流的實際變化率di /dt，則：

由式(1) 可知，當取定Δt 值后，只要能知道ΔU，即Δt 時間內的電壓差值，就可知道電流的實際變化率。依此作為一個判據判斷供電回路是否發生短路故障。另一個判據就是各采樣時刻的實時電流值I。出現的短路的判斷依據為:同時滿足Ki > k 和I > Is這樣兩個條件為短路出現。其中K 為電流上升率的設定值，Is為電流的設定值。

2 快速故障保護裝置的設計

本文從上面的短路故障判斷依據出發，設計了短路故障快速保護裝置，其快速檢測原理框圖如圖2 所示。

利用電流傳感器將線路中的電流信號轉化為電壓信號，通過兩路比較器對電流信號進行監測。

當線路電流上升使得電壓信號達到預設參考電壓U1時，比較器1 輸出電平上跳，并啟動計時電路;當電壓信號達到預設參考電壓U2時，比較器2 輸出電平上跳，并停止計時電路。根據啟動和停止時刻間的時間差，可得到對應的電流信號從I1上升到I2的時間Δt，送入數字比較器1 與2 內，分別與預設值的ΔT1和ΔT2進行比較。

利用電流傳感器將線路中的電流信號轉化為電壓信號，通過兩路比較器對電流信號進行監測。

當線路電流上升使得電壓信號達到預設參考電壓U1時，比較器1 輸出電平上跳，并啟動計時電路;當電壓信號達到預設參考電壓U2時，比較器2 輸出電平上跳，并停止計時電路。根據啟動和停止時刻間的時間差，可以得到對應的電流信號從I1上升到I2的時間Δt，送入數字比較器1 與2 內，分別與預設值的ΔT1和ΔT2進行比較。

當Δt < ΔT1時，說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，邏輯處理電路不發出動作信號;當ΔT1 < Δt < ΔT2時，說明電流上升率在短路電流上升率范圍內，判定系統發生短路;當Δt > ΔT2時，說明電流上升率小于短路電流上升率，系統處于突加負載或非嚴重的短路狀態，可由其他的保護裝置完成保護，不發出動作信號。這種方法既可在短路初期迅速判斷出故障，同時也可有效避免干擾和過載等情況造成的誤動作。

為滿足艦船直流系統快速保護的要求，保護裝置必須在< 1 ms 的時間內識別故障并發出驅動信號。為了保證檢測電路的快速性、易實現、易調整，對比現有的直流電力系統保護的實現方法，選擇用CPLD 實現圖2 的計數器電路、數字比較器電路和邏輯處理電路。

CPLD 是一種設計專用集成電路的理想器件，能夠由用戶編程實現各種邏輯功能，它采用技術，實現了電可擦除、改寫，其輸出結構為可編程的邏輯單元，具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高、速度快、設計開發周期短、質量穩定以及可實施在線檢測等優點。

保護裝置中選用的CPLD 器件為Altera 公司的EPM3256A，其為144 管腳TQFP 封裝，具有5 000個可編程邏輯門;256 個宏單元;116 個通用輸入/輸出(I /O)引腳;最高頻率達57 MHz;傳輸7. 5 ns;兼容TTL 輸入/輸出電平;任何一個I /O接口可編程為組合、時序和鎖存方式的輸入/輸出，或編程為具有三態控制的雙向I /O。在本系統中，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 構成，CPLD 同時負責輸出開關和IGBT模塊動作信號，裝置運行狀態指示信號等。

3 試驗驗證

為驗證保護裝置的保護性能和快速性，采用基于一次電流轉移型限流器進行了限流試驗，試驗電路如圖4 所示。E 為直流電源，它經沖擊發電機整流后得到，系統電壓1 000 V;L、R 為線路阻抗，通過調整線路阻抗產生短路電流，預期短路電流30 kA、時間常數10 ms，預期短路電流的上升率為3 × 106 A/s; 被測對象是限流器( FaultCurrent limiter，FCL);S 為實驗電路的主保護開關。試驗中，保護裝置檢測到短路故障后，立即給限流器動作信號。限流器收到動作信號后，在極短的時間內動作，限制短路電流。短路判斷的兩個電流整定值分別設為1 kA、3 kA，電流幅值的整定值為3 kA。實驗記錄線路電流I 和限流器兩端的電壓U，試驗過程記錄的波形如圖5 所示。

圖5 中，曲線1 為限流器的電壓信號，曲線2為回路的電流信號，蘭色豎線為電流超過3 kA 的時刻，豎線3 為電弧開始產生的時刻。從圖5 可以看出，電流從零開始上升，直至線路電流超過3 kA，這時檢測電路開始工作，當達到豎線3 所對應的時刻，限流器電壓信號開始明顯上升，產生了電弧，這表明限流器的負荷開關已從閉合狀態過渡至打開過程。圖5 中，這段時間為Δt =1 270 μs，包括故障檢測時間和負荷開關動作時間兩個部分，其中機構試驗測得該負荷開關電磁斥力機構動作時間約為900 μs，因此，可得故障檢測時間約為370 μs。

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

試驗結果表明，所設計的短路故障保護裝置能夠在短路故障發生后< 500 μs 內檢測到故障，并使限流器動作，降低了回路中的故障電流峰值，抑制了短路電流。

4 結語

本文提出了基于電流變化率di /dt 與電流幅值I 雙重判據的快速保護原理，并給出了基于CPLD 實現該保護原理的電路設計思想與基本結構，制作了快速保護裝置樣機。限流試驗結果表明，該裝置能夠快速判斷短路故障，并給限流器機械開關動作信號，裝置與機械開關構成的限流器能夠有效地抑制故障電流。