吳大立 潘德華 黃超 徐正喜

(武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064)

1 引言

在以整流發(fā)電機[1-3]為供電電源的船舶直流電力系統(tǒng)中，為了檢驗斷路器、熔斷器等保護裝置的分斷能力或保護特性，需要具備整流發(fā)電機短路電流模擬的條件。一般，模擬短路電流的主要方法有：網(wǎng)絡試驗法，短路發(fā)電機回路試驗法及 LC振蕩回路法[4-6]等，比較而言，LC振蕩回路法具有裝置設備簡單、投資費用較少、操作方便、使用靈活等優(yōu)點，雖然只能做單相試驗，卻能滿足整流發(fā)電機短路電流模擬的需要。

2 LC振蕩回路基本原理分析

LC振蕩回路產(chǎn)生短路電流的基本原理是：將電容 C充電后，經(jīng)過電感 L放電，產(chǎn)生一定頻率的振蕩電流。將被測試開關串聯(lián)在放電回路中，只要適當?shù)剡x擇電容 C和電感 L值，即可利用LC諧振原理得到所需規(guī)模的短路電流。

圖1 LC振蕩回路原理圖

如圖1所示，開關S斷開時，已知電容被充電至0U 。開關S閉合后，電容C放電，則電路可用微分方程描述為：

從式（3）與式（4）可知，短路電流峰值的大小與電容初始電壓、電感及電容有關；電流的峰值時間主要取決于電感和電容的乘積；電感則決定了初始電流上升率。

3 整流發(fā)電機短路電流模擬

3.1 基本要求

某以整流發(fā)電機為供電電源的船舶直流電力系統(tǒng)結構簡圖如圖2所示。

圖2 船舶直流電力系統(tǒng)結構簡圖

該電力系統(tǒng)中，直流負載支路（逆變器、斬波器）采用短路限流型熔斷器[7]作為直流側保護器件，為了驗證限流型熔斷器的保護性能，需模擬整流發(fā)電機的短路電流特性，由于限流型熔斷器的動作速度很快(ms級)，一般在短路電流上升階段即可切除故障，因此模擬時主要考慮短路電流升至電流峰值的這一初始階段。

3.2 參數(shù)計算

3.2.1周期及頻率計算

根據(jù)實際短路試驗結果，直流負載支路短路時，整流發(fā)電機提供短路電流峰值 Ipk約為 22 kA，峰值時間tpk約為4 ms。利用LC振蕩回路模擬該短路電流時可使得其產(chǎn)生的衰減正弦振蕩電流在第一個1/4周期時達到峰值，因此：

周期T=16 ms，

角頻率 ω = 2π /T =392.7rad/s。

3.2.2 電感計算

取電容初始充電電壓U0為1000 V，根據(jù)式(3)，在電流峰值Ipk處有如下關系：

可得：

?。篖=100 μH。

3.2.3 電容計算

取：C=60 mF。

(4)電阻計算

由于回路電阻主要取決于電感電阻，而實際設計100 μH空心電感電阻約2～3 mΩ。

?。?R = 3 mΩ。

3.3 仿真驗證

振蕩回路參數(shù)計算完成后，利用 MATLAB建立仿真模型對參數(shù)選擇的正確予以驗證，仿真結果如圖3所示。

圖3 短路電流模擬仿真結果

圖3給出了模擬短路電流約在 4ms達到峰值 23 kA，表明 LC振蕩回路主要參數(shù)計算正確，其產(chǎn)生的整流發(fā)電機模擬短路電流與實際短路電流在初始階段特性基本一致，可較好滿足電力系統(tǒng)保護特別是快速性保護試驗的需求。

4 結語

利用LC振蕩回路模擬整流發(fā)電機短路電流并開展船舶直流電力系統(tǒng)保護試驗，主要有如下特點：

1) 通過參數(shù)的合理設計或選取，LC振蕩回路能產(chǎn)生與整流發(fā)電機初始階段特性基本一致的短路電流。

2) 利用 LC振蕩回路進行船舶直流電力短路保護試驗，具有投資少，試驗過程短及可多次重復的優(yōu)點。

3) 基于 LC振蕩回路原理研制的船舶直流電力系統(tǒng)保護試驗臺架目前已完成初步測試工作，其參數(shù)調整靈活，最大可實現(xiàn)50 kA的短路電流模擬，將為船舶直流電力系統(tǒng)保護技術的研究提供重要的試驗平臺支撐。

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