摘要: 舰船直流电力系统的短路电流在几ms 内就可达到峰值，限流器必须快速检测并限制故障电流，从而有效抑制短路电流对系统的冲击。提出了基于电流变化率di /dt 与电流幅值I 双重判据的快速检测短路故障原理，以CPLD 器件核心开发了保护装置，并对该装置进行了试验验证，试验结果表明，故障快速保护装置可以满足舰船直流电力系统的短路保护要求。

　　0 引言

　　舰船直流电力系统为了提高功率密度，发电机的超瞬态阻抗设计得很低，加之馈电线路比较短，系统短路时，短路电流上升速度很快，一般需要几ms 内即达到预期短路电流，这要求系统的保护设备具有非常快的反应速度和高的分断能力。通常舰船直流电力系统采用断路器作为主要保护设备，但随着舰船功率密度的增加，一般的断路器很难满足舰船电力系统所需的响应速度和高分断能力，从国内外舰船电力系统综合保护的发展趋势分析，“限流器+ 断路器”的技术方案，能较好地解决舰船中压直流综合电力系统的综合保护问题。

　　限流器要达到其预期的限流效果，必须在短路发展阶段的初期检测并限制故障电流，即要求故障快速保护装置在微秒量级的时间内完成故障信号的准确判断并发出动作指令，从而有效抑制短路电流对系统的冲击，这对其反应速度提出较高要求，如何快速准确地检测到短路故障是保证限流器性能的关键技术之一。

　　1 直流系统的故障判别依据

　　直流系统正常工作启动电流与故障电流之间在特征上有比较明显的区别。系统正常启动时电流上升率很小，一般在kA/s 级。而当直流电力系统发生短路时，故障线路电流的大小和上升率都会远大于正常值，其上升率可能达到正常运行启动电流的上百倍，一般为kA/ms 数量级，而且其幅值也能达到额定工作电流值的几倍到几十倍。因此，可根据短路电流的主要特征，即线路当中出现短路故障时，可在短路电流发展的初期即应用其上升率di /dt 判断线路当中是否有短路故障发生。同时，对电流的幅值大小进行实时判定，也作为判断系统是否有短路发生的依据，从而实现故障保护功能，其故障判断原理如图1 所示。

　　由式(1) 可知，当取定Δt 值后，只要能知道ΔU，即Δt 时间内的电压差值，就可知道电流的实际变化率。依此作为一个判据判断供电回路是否发生短路故障。另一个判据就是各采样时刻的实时电流值I。出现的短路的判断依据为:同时满足Ki > k 和I > Is这样两个条件为短路出现。其中K 为电流上升率的设定值，Is为电流的设定值。

　　2 快速故障保护装置的设计

　　本文从上面的短路故障判断依据出发，设计了短路故障快速保护装置，其快速检测原理框图如图2 所示。

　　利用电流传感器将线路中的电流信号转化为电压信号，通过两路比较器对电流信号进行监测。

　　当线路电流上升使得电压信号达到预设参考电压U1时，比较器1 输出电平上跳，并启动计时电路;当电压信号达到预设参考电压U2时，比较器2 输出电平上跳，并停止计时电路。根据启动和停止时刻间的时间差，可得到对应的电流信号从I1上升到I2的时间Δt，送入数字比较器1 与2 内，分别与预设值的ΔT1和ΔT2进行比较。

　　利用电流传感器将线路中的电流信号转化为电压信号，通过两路比较器对电流信号进行监测。

　　当线路电流上升使得电压信号达到预设参考电压U1时，比较器1 输出电平上跳，并启动计时电路;当电压信号达到预设参考电压U2时，比较器2 输出电平上跳，并停止计时电路。根据启动和停止时刻间的时间差，可以得到对应的电流信号从I1上升到I2的时间Δt，送入数字比较器1 与2 内，分别与预设值的ΔT1和ΔT2进行比较。

　　当Δt < ΔT1时，说明电流上升率大于短路电流上升率，这种情况只可能是由干扰造成的，逻辑处理电路不发出动作信号;当ΔT1 < Δt < ΔT2时，说明电流上升率在短路电流上升率范围内，判定系统发生短路;当Δt > ΔT2时，说明电流上升率小于短路电流上升率，系统处于突加负载或非严重的短路状态，可由其他的保护装置完成保护，不发出动作信号。这种方法既可在短路初期迅速判断出故障，同时也可有效避免干扰和过载等情况造成的误动作。

　　为满足舰船直流系统快速保护的要求，保护装置必须在< 1 ms 的时间内识别故障并发出驱动信号。为了保证检测电路的快速性、易实现、易调整，对比现有的直流电力系统保护的实现方法，选择用CPLD 实现图2 的计数器电路、数字比较器电路和逻辑处理电路。