丁洪兵

（海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海 200136）

0 引言

某型艦船靠岸?？看a頭時(shí)，50 Hz交流機(jī)組停止運(yùn)行，通過設(shè)置在甲板上的岸基供電接頭給電網(wǎng)提供50 Hz的交流電源。岸電配電裝置用于將暗點(diǎn)交流電源輸入至艦船上50 Hz交流電站。該艦船岸電配電裝置有兩個(gè)控制開關(guān)，一個(gè)為岸電選擇開關(guān)、另一個(gè)為220 V岸電接通開關(guān)。當(dāng)交流岸電為127 V、50 Hz交流電時(shí)，岸電選擇開關(guān)接通“127 V位”直接向該艦船上50 Hz交流電站供電，其中220 V岸電接通開關(guān)斷開；當(dāng)岸電為220 V、50 Hz交流電時(shí)，岸電選擇開關(guān)接通“220 V位”使岸電電源與岸電配電裝置外的變壓器相連，經(jīng)變壓器變壓成127 V后，通過接通的220 V岸電接通開關(guān)送至該艦船50 Hz交流電站。

現(xiàn)有艦船岸電配電裝置根據(jù)輸入岸基電壓大小，接通不同開關(guān)向50 Hz交流電網(wǎng)提供交流岸電，并沒有考慮過流過壓保護(hù)功能，裝置故障或誤操作會(huì)引起岸電配電裝置和用電負(fù)載的損毀，裝置隱患風(fēng)險(xiǎn)大。

艦船岸電配電系統(tǒng)是艦船在停靠碼頭器件最重要的部分，它的可靠性決定了艦船靠岸時(shí)的用電安全，為了保證其在接入岸電220 V時(shí)不會(huì)發(fā)生過流故障，國內(nèi)外一直在研究用于艦船岸電配電系統(tǒng)的過流保護(hù)技術(shù)，能夠在發(fā)生過流故障的時(shí)候最快的解決，以免造成更大的危害，但是同時(shí)也需要保證保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性，以免造成非正常的保護(hù)動(dòng)作。

目前，在艦船岸電配電系統(tǒng)的輸入端加入一個(gè)熔斷器是國內(nèi)主要采取的方法，但是這是一種被動(dòng)的保護(hù)手段[1]。采用熔斷器不失是一種好辦法，但是其可能有不可恢復(fù)的性質(zhì)，同時(shí)存在像浪涌電流等不可靠因素，其準(zhǔn)確性欠佳，比如常用的濾波電路中有電感與電容，在其過渡過程中會(huì)形成尖脈沖，如果使用熔斷器的系統(tǒng)之中有這種濾波電路，就會(huì)因?yàn)榧饷}沖的存在而造成熔斷器誤動(dòng)作。所以在艦船岸電配電系統(tǒng)中要盡量不采用熔斷器，應(yīng)使用在過流保護(hù)后可以及時(shí)恢復(fù)的過流保護(hù)電路。但是在國內(nèi)，固態(tài)功率控制技術(shù)還沒有用于艦船岸電配電系統(tǒng)作為過流保護(hù)手段。

1 采用固態(tài)功率控制器的過流保護(hù)方式

固態(tài)功率控制器（SSPC）是一種保護(hù)電路，具有轉(zhuǎn)換和短路功能，SSPC由MOSFET驅(qū)動(dòng)，配合控制、隔離電路以及輔助電源完成工作，是一種具有可恢復(fù)性的過流保護(hù)裝置[2,3]。所以使用了 SSPC的過流保護(hù)系統(tǒng)如果發(fā)生了過流的故障，可恢復(fù)的保護(hù)裝置將采取過流保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)其狀態(tài)會(huì)傳輸?shù)娇刂茊卧?，控制單元?huì)預(yù)測(cè)保護(hù)后整個(gè)艦船供電將會(huì)收到的影響，繼而作出怎么進(jìn)行過流故障保護(hù)的決策[4]?？梢钥吹?，固態(tài)功率控制器具有可恢復(fù)性質(zhì)，采用固態(tài)功率控制器的過流保護(hù)系統(tǒng)可以使整個(gè)系統(tǒng)更加智能化。

1.1 過流保護(hù)體系設(shè)計(jì)

如前所述，固態(tài)功率控制器具有可恢復(fù)性質(zhì)，同時(shí)還能增加整個(gè)系統(tǒng)的智能化，已經(jīng)在很多行業(yè)有了使用，但是其由于擁有很多個(gè)模塊，也就會(huì)使得其設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，而且自身也有幾率發(fā)生故障。但是隨著后續(xù)艦船越來越復(fù)雜，艦船岸電配電系統(tǒng)將為更多的設(shè)備供電，如果在過流情況下固態(tài)功率控制器由于故障沒有動(dòng)作，將會(huì)造成整個(gè)艦船斷電，甚至造成艦船上眾多設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果。固態(tài)功率控制器可以降低系統(tǒng)在剛啟動(dòng)的時(shí)候可能會(huì)形成的尖端電流，進(jìn)而避免了采用單一的熔斷器會(huì)因浪涌電流發(fā)生誤動(dòng)作的危害，同時(shí)還能提高系統(tǒng)的可靠性[7]。根據(jù)以上分析，為了進(jìn)一步提高艦船岸電配電系統(tǒng)在艦船靠岸供電的可靠性，本文提出固態(tài)功率控制器加熔斷器的方法，該方法同時(shí)擁有兩者的優(yōu)勢(shì)，也避免了傳統(tǒng)單一使用熔斷器的不足。采用固態(tài)功率控制器加熔斷器的方法的艦船岸電配電系統(tǒng)的配電圖如圖1。

1.2 參數(shù)設(shè)定

在確定采用固態(tài)功率控制器加熔斷器的方法后，當(dāng)艦船在接入岸電的時(shí)候或者艦船設(shè)備故障等發(fā)生過流的時(shí)候，因?yàn)镾SPC和熔斷器都可以進(jìn)行過流保護(hù)動(dòng)作的，又由于SSPC具有可恢復(fù)性質(zhì)，所以SSPC需要早于熔斷器發(fā)生動(dòng)作前動(dòng)作，待排除過流故障后，再次供電。如果熔斷器在SSPC前先動(dòng)作，那么SSPC的可恢復(fù)性就發(fā)揮不出來，就失去了使用固態(tài)功率控制器加熔斷器的意義。

圖1 配電模式示意圖

從上可知，采用固態(tài)功率控制器加熔斷器的方法后，整個(gè)過流保護(hù)系統(tǒng)具有兩重保護(hù)，所以需要匹配設(shè)計(jì)SSPC和熔斷器兩者的過流保護(hù)曲線，即對(duì)它們的參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性的計(jì)算，這樣才能達(dá)到增加使用固態(tài)功率控制器的目的。

1.2.1 熔斷器的保護(hù)曲線

表1是Schulte公司的MGA-S系列熔斷器的相關(guān)參數(shù)，圖2是其熔斷曲線，該系列熔斷器是現(xiàn)今使用較為普遍的熔斷器。

圖2 MGA-S熔斷器熔斷曲線圖

1.2.2 SSPC的保護(hù)曲線

表2是國外三家公司的SSPC的相關(guān)參數(shù)。

從表中可以看到，每個(gè)公司的SSPC的過流動(dòng)作時(shí)間是不一樣的，那么從其應(yīng)用原理來看，其相關(guān)參數(shù)的設(shè)置就要和使用的地方緊密的結(jié)合起來，如果短時(shí)間內(nèi)電源輸出能量大而負(fù)載可通過大電流的情況下可采用時(shí)間較長的 SSPC，這樣可提高SSPC的抗干擾能力，如果相反，就要采用時(shí)間動(dòng)作時(shí)間較短的SSPC。

以表2中某公司的SSPC為例，它含有0.5、1、3及10 A共四種型號(hào)，0.5、1、3 A這三種型號(hào)的SSPC在過流電流小于額定電流8倍的時(shí)候，如果使用I2t保護(hù)方式，伴隨著電流的增大，它們的動(dòng)作時(shí)間會(huì)縮短，當(dāng)過流電流大于額定電流 8倍的時(shí)候?qū)?huì)馬上動(dòng)作，其動(dòng)作時(shí)間少于500 μs。而10 A型號(hào)的SSPC因?yàn)樵谶^流動(dòng)作時(shí)要更多的能量，所以在過流電流超過額定電流4倍的時(shí)候就會(huì)馬上動(dòng)作，圖3是這四種型號(hào)SSPC的保護(hù)曲線。

表1 MGA-S熔斷器熔斷時(shí)間

表2 SSPC的過流動(dòng)作時(shí)間

圖3 SSPC產(chǎn)品過流保護(hù)曲線

1.2.3 過流保護(hù)參數(shù)匹配

因?yàn)樾枰诎l(fā)生過流保護(hù)的時(shí)候，SSPC要在熔斷器動(dòng)作之前先動(dòng)作，所以就要根據(jù) SSPC和熔斷器兩者的特性曲線進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。這就是要為各個(gè)規(guī)格的SSPC都配置一個(gè)相應(yīng)容量的熔斷器，以確保在熔斷器動(dòng)作之前SSPC先動(dòng)作。我們從圖2可知，熔斷器的動(dòng)作時(shí)間伴隨著電流的增加而減少的，同時(shí)從圖3又可以看到，SSPC的動(dòng)作時(shí)間和熔斷器一樣，也是伴隨著電流的增加而減小的。所以在設(shè)備發(fā)生過流故障的時(shí)候，在每一個(gè)固定的電流值，SSPC的動(dòng)作時(shí)間都比熔斷器的熔斷時(shí)間少，而且有時(shí)間冗余，也就是可以保證熔斷器在SSPC動(dòng)作前不會(huì)動(dòng)作，這樣就保證了它們的時(shí)序要求。若要反映在圖中，保證SSPC的特性曲線在熔斷器下方即可。

這里以10 A規(guī)格的SSPC為例，配置一個(gè)20 A的熔斷器，當(dāng)系統(tǒng)電流為20 A的時(shí)候，已經(jīng)是SSPC的 2倍，但是此時(shí)熔斷器沒有過流，此時(shí)SSPC動(dòng)作同時(shí)熔斷器沒有動(dòng)作；當(dāng)系統(tǒng)電流為30 A的時(shí)候，已經(jīng)是SSPC的3倍，同時(shí)是熔斷器的1.5倍，熔斷器的動(dòng)作時(shí)間＞10 s的，則SSPC動(dòng)作時(shí)間能夠＜1s即可，此時(shí)冗余有9 s；當(dāng)系統(tǒng)電流為40 A的時(shí)候，已經(jīng)是SSPC的4倍，同時(shí)是熔斷器的2倍，熔斷器的動(dòng)作時(shí)間＞2 s的，該時(shí)刻SSPC就會(huì)立即動(dòng)作，時(shí)間＜500 μs，這樣就保證了SSPC先于熔斷器動(dòng)作。從匹配的角度來看，因?yàn)楣潭娏饕?guī)格的SSPC所對(duì)應(yīng)的熔斷器的規(guī)格更大，動(dòng)作時(shí)間也相應(yīng)的增加，然而熔斷器容量也不該過大，由于容量大的可能會(huì)因?yàn)殡娫垂┙o不了充足的能量熔斷。所以需要按一下標(biāo)準(zhǔn)選擇熔斷器：

式中：Ip為艦船岸電配電系統(tǒng)保護(hù)電流；In為熔斷器額定電流；Is為接入艦船岸電配電最大額定電流；Ie為設(shè)備最大額定電流；α為熔斷器中的電流降額因子。

2 過流保護(hù)仿真及驗(yàn)證

通過前面可知，選擇合適的SSPC和熔斷器，就能夠?qū)崿F(xiàn)SSPC早于熔斷器動(dòng)作的目標(biāo)，使得時(shí)序合適。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)該方法進(jìn)行了建模與仿真以及實(shí)驗(yàn)，以確定該方法的正確性。

2.1 仿真分析

首先對(duì)熔斷器和固態(tài)功率控制器進(jìn)行了建模，在建模之后對(duì)其進(jìn)行了仿真與驗(yàn)證。

2.1.1 熔斷器模型建立

首先使用電路仿真軟件Saber對(duì)型號(hào)為20 A的熔斷器進(jìn)行了建模，并根據(jù) Schulte公司提供的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后，其特性仿真波形圖如下：

圖4 熔斷器測(cè)試波形

從圖4能夠看到，建模的熔斷器在過額定電流0.8到1.25倍的時(shí)候不會(huì)熔斷，同時(shí)在過額定電流1.5倍的時(shí)候動(dòng)作時(shí)間超過10 s，過額定電流1.7和2倍的時(shí)候動(dòng)作時(shí)間超過2 s，這與圖2中的熔斷器是相符的。

2.1.2 SSPC模型建立

以電流規(guī)格為10 A的SSPC為例，其建模后所測(cè)試得到的波形如下。

從圖能夠看到，負(fù)載兩端從0 V上升到100 V的用了45 μs，從100 V下降到0 V用了15 μs，這與SSPC的特性是一致的，故該模型是可行的。

2.1.3 過流保護(hù)仿真

同時(shí)利用Saber軟件中相關(guān)器件，依據(jù)前文所分析的SSPC以及熔斷器的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用點(diǎn)擬合法建立I2t的過流保護(hù)模塊。將各個(gè)部分連接好，搭建整個(gè)仿真系統(tǒng)，圖6為系統(tǒng)的過流保護(hù)特性。

圖6是電流為10 A的SSPC在系統(tǒng)電流由額定值突然上升到20 A的曲線。從圖中可以看到，正常工作的時(shí)候，系統(tǒng)電流為10 A，在0.5 s的時(shí)候電流突然上升到20 A，此時(shí)SSPC動(dòng)作，在1.38 s的時(shí)候斷開，整個(gè)動(dòng)作時(shí)間為0.88 s，系統(tǒng)電流下降到0 A。

圖5 SSPC測(cè)試波形

圖6 10A的SSPC流過2倍的波形

圖7是電流為10 A的SSPC在系統(tǒng)電流由額定值突然上升到36.8 A的曲線。從圖中可以看到，正常工作的時(shí)候，流過系統(tǒng)的電流為10 A，在其突然上升到 36.8 A的時(shí)候，SSPC動(dòng)作，又在502.36 ms的時(shí)候斷開。整個(gè)動(dòng)作時(shí)間為1.41 ms，系統(tǒng)電流就下降到0 A。

圖7 10A的SSPC流過4倍的波形

從上面的仿真可以看出，使用該新的過流保護(hù)方法，通過對(duì)固態(tài)功率控制器和熔斷器的相應(yīng)設(shè)計(jì)后，在發(fā)生過流狀況時(shí)，SSPC動(dòng)作將先于熔斷器，能夠起到故障隔離目的，且熔斷器不斷開。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)SSPC加熔斷器的方法搭建了試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，其由穩(wěn)壓直流電源、驅(qū)動(dòng)電路、SSPC、熔斷器以及負(fù)載組成。其內(nèi)部組成以及相互的連接掛下如圖8。SSPC選用了電流為0.5、1、3、10 A四種，在SSPC的前端連接熔斷器。試驗(yàn)平臺(tái)的電源電壓為DC100 V，固態(tài)功率控制器的偏置電壓為12 V，控制信號(hào)電壓為0.5 V，負(fù)載電流能夠調(diào)節(jié)，SSPC的開通與關(guān)斷通過驅(qū)動(dòng)電路來控制。

圖8 試驗(yàn)驗(yàn)證框圖

在實(shí)驗(yàn)中，先連接好開關(guān)K1和K2，再連接好SSPC，最后將電流慢慢增加，從而對(duì)SSPC的保護(hù)特性進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)SSPC動(dòng)作過后，使用驅(qū)動(dòng)電路馬上斷開 SSPC，以及將各負(fù)載調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)工況，就可第二次接通SSPC，調(diào)整過流大小，從而繼續(xù)對(duì)SSPC的保護(hù)特性進(jìn)行測(cè)試。最終得到如圖9波形。

圖中的綠色線條是固態(tài)功率控制器的電流特性曲線，紅色線條是固態(tài)功率控制器的控制信號(hào)。（a）圖是在正常工作情況下，流過負(fù)載的電流為10 A，當(dāng)該電流突然上升到20 A，SSPC的動(dòng)作時(shí)間為0.8 s，然后電流降低到0。（b）圖是在正常工作情況下，流過負(fù)載的電流為10 A，當(dāng)該電流突然上升到 37.3 A，SSPC的動(dòng)作時(shí)間為 1.3 ms，然后電流降低到 0。（c）圖是在正常工作情況下，流過負(fù)載的電流為3 A，當(dāng)該電流突然上升到25.1 A，SSPC的動(dòng)作時(shí)間為37 μs，達(dá)到在短路的情況下立刻動(dòng)作的要求。

從圖9的保護(hù)曲線可以看到，采用SSPC加熔斷器的方法后，通過SSPC和熔斷器進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)以后，系統(tǒng)發(fā)生過流狀況時(shí)，由于SSPC的動(dòng)作時(shí)間早于熔斷器的，因而SSPC會(huì)先動(dòng)作，這時(shí)候就能達(dá)到隔離故障且熔斷器沒有動(dòng)作。

3 結(jié)論

本文在對(duì)國內(nèi)外艦船岸電配電系統(tǒng)保護(hù)電路的分析后，提出了一種采用固態(tài)功率控制器加熔斷器的過流保護(hù)系統(tǒng)，解決該艦船岸電配電系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)的過流過壓現(xiàn)象。并對(duì)這種新的過流保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)響應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行了的設(shè)定，然后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，最后做了實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證該過流保護(hù)方法。采用這樣新的系統(tǒng)在利用有限的資源下，達(dá)到對(duì)艦船配電系統(tǒng)的過流保護(hù)，提高了整個(gè)艦船配電系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也是一種可以恢復(fù)的過流保護(hù)系統(tǒng)，可以用于該艦船岸電配電系統(tǒng)中解決過流過壓現(xiàn)象。

圖9 SSPC過流波形

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