顧雪晨王 晨

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011；

2.海軍工程大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院 武漢 430033）

0 引 言

隨著艦船直流電力系統(tǒng)容量的不斷加大，一旦發(fā)生電流短路，巨大的電動(dòng)力和熱沖擊將超過設(shè)備承受極限，導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)。國外大型艦艇電力系統(tǒng)廣泛采用故障電流限制技術(shù)，歐美海軍航母及潛艇皆采用了故障電流限制器。國內(nèi)現(xiàn)有開關(guān)難以滿足日益增長的短路電流分?jǐn)嗟男枰滦投搪废蘖骷夹g(shù)成為艦船電力系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)研究方向［1-3］。

1 快速熔斷器工作原理及新品研究背景

快速熔斷器利用熔體在短路電流下熔斷來分?jǐn)嚯娐?。?dāng)額定電流較小時(shí)，其熔斷時(shí)間較短，能夠有效限制短路電流峰值［4-5］。但是隨著額定電流增大至千安（kA）級(jí)，為了滿足溫升要求，其熔體截面積必須增大，從而導(dǎo)致熔斷時(shí)間迅速上升，限流性能變差。這樣不僅不能有效抑制短路電流，使系統(tǒng)選擇性保護(hù)失效，而且由于熔斷時(shí)間過長，系統(tǒng)長時(shí)間失電，易導(dǎo)致敏感設(shè)備保護(hù)停機(jī)［6］。

為此，急需研究一種分?jǐn)嗨俣瓤?、限流能力?qiáng)的艦船直流電力系統(tǒng)限流保護(hù)裝置，以解決短路保護(hù)問題。新型限流熔斷器研究正是在這一背景下提出來的。本文介紹了兩種新型限流熔斷器的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。

2 新型限流裝置原理及特性

混合型限流熔斷器，將爆炸高速開斷技術(shù)與限流熔斷器結(jié)合的一種限流保護(hù)裝置，是目前最廣泛的限流保護(hù)技術(shù)。從其工作原理區(qū)分，可分為主動(dòng)觸發(fā)式混合型限流熔斷器和被動(dòng)觸發(fā)式混合型限流熔斷器，以及將兩者相結(jié)合的智能化限流熔斷器。本文針對(duì)艦船直流電力系統(tǒng)的保護(hù)需求，研制了兩種限流熔斷器保護(hù)裝置。

2.1 主動(dòng)觸發(fā)型限流熔斷器

2.1.1 組成及原理

主動(dòng)觸發(fā)型限流熔斷器原理圖如圖1所示，包括電流傳感器、檢測(cè)及判斷電路、觸發(fā)系統(tǒng)、爆炸橋及快速熔斷器等。正常狀態(tài)下，可爆破開斷的爆炸橋的電阻是微歐級(jí)，選用快速熔斷器的電阻是毫歐級(jí)，正常通流由爆炸橋承擔(dān)。發(fā)生短路故障時(shí)，裝置檢測(cè)電流方向和大小及其上升率，判斷后給出點(diǎn)火脈沖，引爆橋體中雷管及炸藥，將其爆斷成隔離狀態(tài)。電流瞬間轉(zhuǎn)移至快速熔斷器，由快速熔斷器完成限流開斷。

圖1 主動(dòng)觸發(fā)型限流熔斷器原理圖和直流限流裝置

首先建立爆炸橋的溫升模型和非線性動(dòng)力學(xué)模型。我們分析了銅橋尺寸、活塞行程、汽缸內(nèi)徑及裝藥量等因素對(duì)爆炸橋溫升及分?jǐn)嗵匦缘挠绊?，得出了這些參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，在此基礎(chǔ)上所研制的樣機(jī)額定功耗約13 W，端子溫升為35 K。然后建立爆炸橋與快熔之間換流過程的等效模型，分析了爆炸橋斷口弧壓，換流初始電流值及滅弧熔斷器支路電感和電阻對(duì)換流時(shí)間、換流期間燃弧能量的影響，并推導(dǎo)了計(jì)算公式。為研究爆炸橋在換流結(jié)束后的介質(zhì)恢復(fù)過程，設(shè)計(jì)了等效試驗(yàn)電路，對(duì)不同燃弧能量下三種開距的介質(zhì)恢復(fù)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合。最終得到了介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式，并通過整機(jī)的限流試驗(yàn)對(duì)公式進(jìn)行了初步驗(yàn)證。

2.1.2 產(chǎn)品特性

主動(dòng)觸發(fā)型限流熔斷器主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）額定電壓：DC 640 V。

（2） 額定電流：2 500 A。

（3）短路限流性能指標(biāo)：預(yù)期100 kA時(shí)間常數(shù)4.17 ms，短路電流，最大峰值小于20 kA。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，di/dt能夠在1～25 A/us范圍內(nèi)可調(diào)。

（4）控制電源：DC 220 V（功耗不大于 500 W）。

（5）外形尺寸（長×寬×高）不超過 500 mm×400 mm×300 mm（單橋及控制器）。

環(huán)境適應(yīng)性：滿足相關(guān)國軍標(biāo)相關(guān)要求。

2.2 被動(dòng)觸發(fā)型限流熔斷器

2.2.1 組成及原理

被動(dòng)觸發(fā)型限流熔斷器（CLF）原理圖如圖2所示，包括電弧觸發(fā)器、載流隔離器和快速熔斷器。

圖2 被動(dòng)觸發(fā)型限流熔斷器原理圖

正常工作時(shí)，工作電流主要由載流隔離器承擔(dān)，通態(tài)損耗低，通流能力強(qiáng)。發(fā)生短路時(shí)，電弧觸發(fā)器迅速熔斷建立起一個(gè)弧壓，由此觸發(fā)載流隔離器中的電雷管并引爆炸藥，在200 μs內(nèi)分?jǐn)噍d流隔離器，電流轉(zhuǎn)移到快速熔斷器，快速熔斷器在1 ms內(nèi)起弧完成限流分?jǐn)唷?/p>

電弧觸發(fā)器在大電流場(chǎng)合下應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題即如何在滿足溫升要求的前提下盡可能提高熔體狹頸的載流密度。通過建立其熱電耦合模型分析得出：相對(duì)于壓接和釬焊方式而言，點(diǎn)焊方式電阻比較穩(wěn)定，弧前特性較好，適用于大電流電弧觸發(fā)器的熔體與接線端子連接。通過對(duì)電弧觸發(fā)器熔體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用小孔徑、細(xì)狹頸和薄熔體結(jié)構(gòu)，并盡量減小焊點(diǎn)的內(nèi)邊距，能夠有效降低溫升，提高載流密度，從而縮短弧前時(shí)間，實(shí)現(xiàn)短路故障的快速檢測(cè)。

2.2.2 產(chǎn)品特性

目前已研發(fā)成功并實(shí)際應(yīng)用的被動(dòng)式混合型限流熔斷器（CLF）主要有CLF3D3和CLF12D12兩型產(chǎn)品，其具體特性指標(biāo)如表1所示。

表1 被動(dòng)式混合型限流熔斷器產(chǎn)品特性

為驗(yàn)證裝置各項(xiàng)性能，進(jìn)行溫升試驗(yàn)和限流試驗(yàn)。額定通流下整機(jī)功耗僅180 W，接線端子溫升56 K，裝藥處溫升20 K，滿足艦用環(huán)境需求。限流試驗(yàn)中，當(dāng)短路電流初始上升率為3 A/μs時(shí)，限流熔斷器的弧前時(shí)間為8 ms，分?jǐn)鄷r(shí)過電壓為1.32 kV。當(dāng)短路電流初始上升率為15 A/μs時(shí)，限流熔斷器的弧前時(shí)間為2.32 ms，分?jǐn)鄷r(shí)過電壓為1.64 kV。

3 結(jié) 論

混合型限流熔斷器相對(duì)于普通限流熔斷器具有功率損耗低、限流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于采用電子控制的主動(dòng)式混合型限流熔斷器而言，被動(dòng)式混合型限流熔斷器因?yàn)闊o需外部電源、傳感器及電子控制單元，提高了可靠性且減小了體積。隨著容量的進(jìn)一步增大，艦船電力系統(tǒng)勢(shì)必將向中壓邁進(jìn)。本研究成果可供直流中壓系統(tǒng)混合型限流熔斷器研究提供技術(shù)參考。

［1］王晨，張曉鋒，莊勁武，等.新型混合式限流斷路器設(shè)計(jì)及其可靠性分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（12）：61-67.

［2］楊鋒，莊勁武，戴超，等.爆炸活塞式大電流高速開斷裝置的設(shè)計(jì)與分析［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30（4）：109-114.

［3］戴超，莊勁武，楊鋒，等.大容量爆炸活塞式高速開斷分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.高電壓技術(shù)，2011，37（1）：221-226.

［4］金立軍，馬志瀛，徐黎明.高壓限流熔斷件弧前時(shí)間的數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，19（11）：55-58.

［5］王子建，何俊佳，尹小根.高壓限流熔斷器熱電耦合瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算［J］.高壓電器，2006，42（6）：438-441.

［6］戴超，莊勁武，楊鋒，等.高壓混合型限流熔斷器用電弧觸發(fā)器弧前特性研究［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（2）：350-355.