鐘暉 張能 潘德華

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064；2. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004)

1 引言

艦船電站配置多臺(tái)發(fā)電機(jī)，多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)非同期并車，不僅使發(fā)電機(jī)并車失敗，而且可能對(duì)發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害。艦船電力系統(tǒng)同期系統(tǒng)采用傳統(tǒng)電站集中控制方案。并車機(jī)組是汽輪發(fā)電機(jī)組、主變流機(jī)組、岸電，通過(guò)電氣監(jiān)控臺(tái)上同期繼電器實(shí)現(xiàn)相角保護(hù)，并車操作由對(duì)應(yīng)框架斷路器完成。為保證并車安全性，電氣綜合監(jiān)控臺(tái)對(duì)這些并車開關(guān)同時(shí)又設(shè)置了誤操抑制功能，即電控臺(tái) PLC處于通電工作狀態(tài)，一旦操作失誤，PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)，切除開關(guān)合閘回路，抑制誤操作。

在聯(lián)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)過(guò) PLC誤操抑制未投入，又未按正常同期并車程序操作并車，造成主發(fā)機(jī)組嚴(yán)重?fù)p傷的事故。為了保證在 PLC誤操抑制未投入或就地電操合閘，也不會(huì)造成非同期合閘，徹底杜絕非同期誤操作問(wèn)題，有必要對(duì)艦艇電力同期系統(tǒng)進(jìn)行改善，在并車開關(guān)內(nèi)加裝非同期操作保護(hù)裝置，根據(jù)并車開關(guān)兩端電壓壓差、相位，開放開關(guān)的合閘回路，抑制非同期操作，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的保護(hù)。

2 實(shí)施方案

非同期合閘保護(hù)裝置安裝在每臺(tái)需要完成并車操作的開關(guān)內(nèi)，裝置的基本思路是在開關(guān)合閘回路內(nèi)串入非同期合閘保護(hù)觸點(diǎn)，從源頭保證電控臺(tái)遙操和就地操作開關(guān)實(shí)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)安全。

本裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)下列功能：

1）開關(guān)兩端有電，檢測(cè)斷路器上下兩端電壓差、頻差超過(guò)一定范圍，電路自動(dòng)閉鎖，斷開合閘回路，可靠抑制非同期合閘；

2）開關(guān)一端有電，不斷開合閘回路，開關(guān)可任意合閘；

3）開關(guān)兩端沒(méi)電，不斷開合閘回路，開關(guān)可任意合閘。

3 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論可知，同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的條件為：(1)待并發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓有效值相等；(2)待并發(fā)電機(jī)頻率、相位與電網(wǎng)頻率相位相等；(3)待并發(fā)電機(jī)相序與電網(wǎng)相序相同。相序相同這一條在并車操作過(guò)程中可不考慮，因?yàn)榕潆姲宓脑O(shè)計(jì)和安裝接線時(shí)，已經(jīng)保證了待并機(jī)與電網(wǎng)的相序相同。本裝置為并車保護(hù)裝置，合閘壓差、頻差相差應(yīng)比自動(dòng)并車裝置范圍較大。

3.1 控制電源電路

裝置引入斷路器上、下端各兩相電壓，經(jīng)變壓器降壓、整流后，并聯(lián)向 DC/DC模塊供電，產(chǎn)生±15 V控制電源。K1、K2為有無(wú)電壓檢測(cè)繼電器，斷路器上、下端均無(wú)電、或任意一路有電，均可接通斷路器合閘回路。電路圖見下圖1。

圖1 控制電源電路

3.2 電壓比較電路

裝置引入斷路器上、下端各兩相電壓，經(jīng)變壓器降壓、整流后，采用差分比較，電阻R1～R3、R6～R8阻值相等，調(diào)節(jié) R4、R5阻值可調(diào)節(jié)閉鎖壓差范圍，電壓差值在給定范圍內(nèi)，兩路運(yùn)放輸出高電平，具備開關(guān)合閘條件 1。電壓差值超出給定范圍，其中一路運(yùn)放輸出低電平，電路自動(dòng)閉鎖，斷開合閘回路。電路圖見下圖2。

圖2 電壓比較電路

3.3 頻差相角比較電路

裝置引入斷路器上、下端各兩相電壓，經(jīng)變壓器降壓、整形后，形成兩路方波信號(hào)，異或后，形成與頻差相角成正比的電壓信號(hào)，信號(hào)濾波反相后產(chǎn)生的鋸齒波，與鋸齒波微分形成的方波信號(hào)比較，電壓差值在一定范圍內(nèi)，運(yùn)放N2：3輸出高電平，具備開關(guān)合閘條件 2。電路圖見圖3。

3.4 保護(hù)輸出電路

條件同時(shí)滿足，斷路器可進(jìn)行合閘操作。任一合閘條件不滿足，繼電器輸出觸點(diǎn)斷開，分?jǐn)鄶嗦菲骱祥l回路，抑制斷路器誤操。

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 試驗(yàn)條件

在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室構(gòu)建非同期合閘保護(hù)裝置試驗(yàn)測(cè)試的下列條件。

1）開關(guān)一端有電，不斷開合閘回路，開關(guān)可任意合閘；

2）開關(guān)兩端沒(méi)電，不斷開合閘回路，開關(guān)可任意合閘；

3）開關(guān)兩端有電，壓差U△＞10%U，不允許合閘；頻差f△＞0.5 Hz，不允許合閘；U△＜8%U、f△＜0.3 Hz條件滿足允許合閘，合閘允許角度超前 25°～15°。

圖3 頻差相角比較電路

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 差頻周期0.1 Hz合閘波形圖

圖5 差頻周期0.25 Hz合閘波形圖

如圖 4～圖 6所示，三角波為正比于不同差頻周期的電壓信號(hào)，方波為合閘方波脈沖，在差頻0.5 Hz時(shí)，已無(wú)合閘脈沖。

5 結(jié)語(yǔ)

非同期合閘保護(hù)裝置的基本思路是通過(guò)檢測(cè)和判斷待并機(jī)組間的壓差、頻差與相角關(guān)系，簡(jiǎn)潔可靠實(shí)現(xiàn)非同期合閘的無(wú)源保護(hù)。無(wú)需同步選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置和被選中的待并機(jī)信號(hào)，無(wú)需準(zhǔn)確判斷待并機(jī)，可以保證電控臺(tái)遙操和就地操作開關(guān)實(shí)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)安全。

本裝置為新型號(hào)艦船研制，同時(shí)由于該裝置具有體積小，可裝在相關(guān)斷路器屏內(nèi)，無(wú)穿艙電纜，船上改裝十分方便等優(yōu)點(diǎn)，可在已有艦船上增裝，具有廣闊應(yīng)用前景。

圖6 差頻周期0.5 Hz合閘波形圖

[1]施億生, 謝紹惠. 船舶電站[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社, 1981年.

[2]鐘暉, 單秀玲. 交流發(fā)電機(jī)并網(wǎng)相角保護(hù)與自動(dòng)合閘裝置研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2005, 1： 41-44.