吳大立 徐正喜 潘德華 羅偉 姜波

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064）

0 引言

近年來，隨著船舶電氣化程度的提高、船舶直流電力系統(tǒng)的容量迅速增大，短路電流可達上百 kA級，傳統(tǒng)機械式斷路器的極限分斷能力、設(shè)備體積等主要技術(shù)指標難以滿足系統(tǒng)的要求，為了解決系統(tǒng)的保護問題，一種集負荷開關(guān)與混合型限流熔斷器于一體的組合式開關(guān)在船舶直流電力系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，該組合式開關(guān)在正常負載狀態(tài)下由負荷開關(guān)完成電路的分合，而在短路狀態(tài)下則由混合型限流熔斷器實施分斷。該組合式開關(guān)兼有設(shè)備體積小及預(yù)期短路分斷能力高的特點，可較好適用于船舶直流電力系統(tǒng)的直流負載支路。一直以來，由于船舶直流電力系統(tǒng)電纜距離較短，線路末端短路電流與首端短路電流幾乎相同，選擇性保護電流原則難以應(yīng)用而只能按時間原則整定，這樣保證了保護選擇性，卻一定程度犧牲了保護的速動性[1～3]。但在直流負載支路引入混合型限流熔斷器后，其切除故障速度較傳統(tǒng)機械式斷路器快，并具有很強的短路限流能力，這樣使得混合型限流熔斷器前后的短路電流呈現(xiàn)明顯差異，為實現(xiàn)上下級保護選擇性配合的電流原則創(chuàng)造了有利條件，從而可提高上級保護的速動性，本文對混合型限流熔斷器對船舶直流電力系統(tǒng)保護的影響展開研究。

1 混合型限流熔斷器基本工作原理[4~6]

混合型限流熔斷器主要包括電弧觸發(fā)器，載流隔離器和快速熔斷器三個部分。其原理框圖如圖1所示：

圖1 混合型限流熔斷器原理框圖

混合型限流熔斷器的基本工作原理如下：

1) 電弧觸發(fā)器采用一個單斷口短熔體的結(jié)構(gòu)。由于載流隔離器內(nèi)阻遠小于快速熔斷器的內(nèi)阻，正常負荷狀態(tài)下，負荷電流主要流過電弧觸發(fā)器和載流隔離器。發(fā)生短路時，電弧觸發(fā)器內(nèi)的熔體在短路電流下迅速熔斷起弧，產(chǎn)生能觸發(fā)載流隔離器的弧壓，該過程時間一般不超過 5 ms，短路電流上升率越大，該時間越短。

2) 載流隔離器為一爆炸活塞式結(jié)構(gòu)。內(nèi)置炸藥被電弧觸發(fā)器產(chǎn)生的弧壓觸發(fā)后爆炸，推動活塞撞擊載流隔離器中的銅橋連接體，銅橋連接體最薄弱部位被剪切后載流隔離器開斷，該過程時間約為 100～150 μs。

3) 快速熔斷器為一小額定電流的熔體，載流隔離器開斷后，短路電流被轉(zhuǎn)移至快速熔斷器，其迅速完成能量的吸收及滅弧，該過程時間一般不超過3ms。

2 混合型限流熔斷器短路限流仿真

2.1 仿真建模

某簡化的船舶直流電力系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 船舶直流電力系統(tǒng)簡圖

該電力系統(tǒng)采用蓄電池組供電，直流電能經(jīng)逆變器或斬波器進行變換后給供給負載，蓄電池組保護開關(guān) Q1采用框架式斷路器，配置有瞬時保護、短延時保護及長延時保護。直流負載支路(逆變器或斬波器)的短路保護由混合型限流熔斷器(CLF1、CLF2)完成。蓄電池組主要參數(shù)為：電壓：DC800～1000 V；內(nèi)電阻：38 mΩ；內(nèi)電感：260 μH；支路電纜電阻：2 mΩ；支路電纜電感：15 μH。

為了驗證混合型限流熔斷器的短路限流特性，確定其短路限流值，本文利用 MATLAB/SIMULINK建立了含混合型限流熔斷器的直流電力系統(tǒng)短路仿真模型，如圖3所示。

圖3 直流電力系統(tǒng)短路仿真模型

圖3仿真模型中，正常運行時開關(guān)TE與FA閉合，電流主要流過開關(guān) TE支路。系統(tǒng)發(fā)生短路故障，當TES模塊中計算的I2t值超過電弧觸發(fā)器的弧前 I2t值(取為 260 kA2s)，經(jīng) 150 μs（載流隔離器開斷時間）后觸發(fā)開關(guān) TE斷開，短路電流轉(zhuǎn)移至開關(guān)FA支路，當FAS模塊中計算的I2t值超過快速熔斷器的弧前I2t值(取為150 kA2s)觸發(fā)開關(guān) FA斷開完成整個混合型限流熔斷器分斷短路電流過程的模擬。

2.2 仿真結(jié)果

圖4 電壓1000 V時短路電流波形

當蓄電池組電壓為1000 V時，直流負載支路短路(如圖2中的f1點，以下同)蓄電池組提供的短路電流波形如圖4所示。短路分斷時間7 ms，短路限流值12.5 kA。

當蓄電池組電壓為800 V時，直流負載支路短路蓄電池組提供的短路電流波形如圖5所示。短路分斷時間8.3 ms，短路限流值11.5 kA。

3 電力系統(tǒng)保護性能分析

3.1 傳統(tǒng)保護性能分析

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)容易計算，直流負載支路短路時，最大運行工況下，蓄電池電壓為1000 V時，穩(wěn)態(tài)短路電流值為25 kA，時間常數(shù)約為7 ms。最小運行工況下，蓄電池電壓為800 V時，穩(wěn)態(tài)短路電流值為20 kA，時間常數(shù)約為7 ms。

圖5 電壓800 V時短路電流波形

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)下端直流負載支路一般采用機械式斷路器，沒有短路限流能力，根據(jù)電力系統(tǒng)選擇性保護的電流配合原則，蓄電池組保護開關(guān)Q1瞬時保護電流定值應(yīng)躲過最大運行工況下直流負載支路的穩(wěn)態(tài)短路電流值，考慮到瞬時保護20%的整定誤差，即瞬時保護電流定值需整定為1.2×25=30 kA。以下進一步校驗蓄電池組保護開關(guān)瞬時保護的靈敏度，瞬時保護靈敏系數(shù)定義為：

當蓄電池組支路電纜首端短路(如圖 2中的f3點)時，最小工況下，蓄電池組電壓為800V時，最小穩(wěn)態(tài)短路電流經(jīng)計算為21kA，因此瞬時保護靈敏系數(shù)：

顯然，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)按電流原則整定的瞬時保護在最小運行工況下沒有保護區(qū)。實際上，經(jīng)計算，最大運行工況下，蓄電池組電壓為1000V時的瞬時保護靈敏系數(shù)也僅為0.88，瞬時保護也起不到保護作用。對蓄電池組支路的短路保護要依賴于按時間原則整定的短延時保護，降低了保護的速動性，增加了短路對蓄電池組沖擊的時間。

3.2 實際保護性能分析

實際電力系統(tǒng)直流負載支路采用了混合型限流熔斷器，其切除故障速度快，有很強的短路限流作用。根據(jù)前文仿真結(jié)果，當直流負載支路短路時混合型限流熔斷器的最大短路限流值不超過12.5 kA，蓄電池組保護開關(guān)Q1瞬時保護與混合型限流熔斷器實現(xiàn)選擇性配合時只需按該最大短路限流值考慮即可，仍然考慮瞬時保護20%的整定誤差，則瞬時保護電流定值整定為1.2×12.5=15 kA。這樣，即使在最小運行工況下，蓄電池電壓為800 V時，蓄電池組支路電纜末端短路(如圖2中的f2點)時穩(wěn)態(tài)短路電流值20 kA也大于瞬時保護定值，瞬時保護保護范圍可達電纜全長包括直流主配電板，在確保保護選擇性的同時，有效提高了保護的速動性，為解決船舶電力系統(tǒng)存在的保護難題提供了一條有效途徑。

4 結(jié)語

本文對基于混合型限流熔斷器的船舶直流電力系統(tǒng)保護技術(shù)進行了研究，基本結(jié)論如下：

1)傳統(tǒng)的未引入限流器件的船舶直流電力系統(tǒng)，由于上下級短路電流差異不大，上級保護只能按時間原則整定，上級保護的速動性難以保證。

2)混合型限流熔斷器由于動作速度快，短路限流能力強，使得選擇性保護的電流原則得以實現(xiàn)，為解決船舶直流電力系統(tǒng)保護快速性與選擇性的矛盾提供了有效的技術(shù)途徑，提高了船舶電力系統(tǒng)的安全水平。

3)由于混合型限流熔斷器在船舶直流電力系統(tǒng)中的應(yīng)用尚不多見，因此，其對電力系統(tǒng)保護的影響還需通過相關(guān)試驗進行深入驗證。

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