張 超 ，王 晨 ，莊勁武 ，徐國順

（1.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

隨著船舶電力系統(tǒng)容量的不斷增大，短路電流水平也日益提高，現(xiàn)有斷路器、熔斷器的極限分?jǐn)嗄芰Σ蛔悖覄?dòng)作時(shí)間較長，難以滿足短路故障快速限流分?jǐn)嗟囊螅?-2］。在電網(wǎng)中裝設(shè)新型故障限流裝置是解決該類問題的理想方案［3-4］，混合型限流技術(shù)是很有前途的發(fā)展方向，其將不同限流技術(shù)相結(jié)合形成性能更優(yōu)的限流裝置，如混合型超導(dǎo)限流器［5-7］、混合型限流斷路器［8-10］、混合型限流熔斷器［11-14］等。其中，混合型限流熔斷器將爆炸開斷技術(shù)與快速熔斷器技術(shù)相結(jié)合，是目前商用化應(yīng)用最廣泛的限流保護(hù)技術(shù)之一。根據(jù)故障檢測方式的不同，混合型限流熔斷器可分為電子測控式限流熔斷器和電弧觸發(fā)式限流熔斷器2種。

電子測控式限流熔斷器和電弧觸發(fā)式限流熔斷器的主要區(qū)別在于：電子測控式限流熔斷器是通過電流傳感器檢測電流的幅值或變化率作為故障判據(jù)來觸發(fā)開斷器分?jǐn)啵?1］；而電弧觸發(fā)式限流熔斷器采用了電弧觸發(fā)器取代電流傳感器和控制單元，直接利用短路電流的熱效應(yīng)作為檢測觸發(fā)條件，因此具有可靠性高、不需外接電源等優(yōu)點(diǎn)［12-13］。然而無論是電子測控式限流熔斷器還是電弧觸發(fā)式限流熔斷器，它們的高速開斷器都是依靠炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊力來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使開斷器快速分?jǐn)嗖㈦娏鬓D(zhuǎn)移到滅弧熔斷器上。而采用炸藥驅(qū)動(dòng)的局限性在于：炸藥壽命有限，會隨使用時(shí)間的增長而逐漸分解失效；炸藥等火工品的價(jià)格昂貴，每次動(dòng)作后需要更換，經(jīng)濟(jì)性差；對環(huán)境溫度要求苛刻［14］。因此，需要考慮能夠替代炸藥驅(qū)動(dòng)開斷器的其他新型快速驅(qū)動(dòng)的開斷器方案。

1972年S.Basu等提出了一種電磁斥力機(jī)構(gòu)方案［15］，其利用脈沖放電電流通過盤狀線圈，在附近銅盤中感應(yīng)出較大渦流，并產(chǎn)生斥力作用，從而推動(dòng)機(jī)構(gòu)快速動(dòng)作。電磁斥力機(jī)構(gòu)機(jī)械延遲時(shí)間短，初始運(yùn)動(dòng)速度快，特別適合作為快速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。此后，日本、瑞士、荷蘭、韓國等國都開展了電磁斥力機(jī)構(gòu)的研究［16-19］，國內(nèi)大連理工大學(xué)、山東大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、海軍工程大學(xué)等也開展了相關(guān)研究，并取得了大量成果［20-24］。目前主要的應(yīng)用方案都是將電磁斥力技術(shù)應(yīng)用于快速斷路器的操作機(jī)構(gòu)中，短路發(fā)生時(shí)驅(qū)動(dòng)觸頭快速分?jǐn)啵渌麘?yīng)用方案并不多見。

本文在前期電磁斥力技術(shù)和電弧觸發(fā)式限流熔斷器的研究基礎(chǔ)上，將電磁斥力技術(shù)應(yīng)用于限流熔斷器的開斷器中，設(shè)計(jì)了一種采用電磁斥力技術(shù)來分?jǐn)嚆y片的新型開斷器方案，針對船舶直流電力系統(tǒng)，開展了額定直流640 V/2 kA限流熔斷器的設(shè)計(jì)和限流特性試驗(yàn)。在考慮短路分?jǐn)嗵匦院蜏厣匦砸蟮幕A(chǔ)上，推導(dǎo)了樣機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)的解析計(jì)算式，得到了各組件的參數(shù)設(shè)計(jì)原則。樣機(jī)的限流特性試驗(yàn)表明：整機(jī)工作的可靠性和限流性能滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，并驗(yàn)證了本文提出的參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性。

1 新型限流熔斷器方案

新型限流熔斷器方案如圖1（a）所示，主要由電弧觸發(fā)器、電磁斥力開斷器和滅弧熔斷器三部分構(gòu)成。電弧觸發(fā)器由2根銅排和焊接在兩者之間的銀片組成。新型電磁斥力開斷器由2根銅排和焊接在兩者之間的銀片、絕緣窄縫滅弧室、絕緣柵片、斥力盤和斥力驅(qū)動(dòng)電路組成［25］。 圖1（b）為限流熔斷器換流過程等效電路圖，圖中，Ra為電弧觸發(fā)器電阻；Rb為開斷器電阻；R2為滅弧熔斷器支路電阻；Ua為電弧觸發(fā)器熔斷后的電弧電壓；L1為電弧觸發(fā)器和開斷器串聯(lián)后的支路電感；L2為滅弧熔斷器支路電感。

圖1 基于電磁斥力開斷器的限流熔斷器方案Fig.1 CLF based on electromagnetic repulsion isolator

新型限流熔斷器工作原理是：正常工作時(shí)，電流主要從電弧觸發(fā)器及開斷器上流過，滅弧熔斷器有少量電流流過。電弧觸發(fā)器是一個(gè)帶有狹頸的熔體導(dǎo)電部件，正常工作時(shí)，大額定電流流過電弧觸發(fā)器，其熔體狹頸處的熱量可以通過相鄰的金屬帶傳導(dǎo)出去。發(fā)生短路時(shí)，狹頸處的發(fā)熱量來不及傳導(dǎo)，溫度迅速上升而使熔體狹頸熔斷起?。?6］。限流熔斷器短路分?jǐn)噙^程示意圖如圖2所示。短路發(fā)生后，電弧觸發(fā)器在t0時(shí)刻熔斷起弧，電流i1將立即向滅弧熔斷器上轉(zhuǎn)移，同時(shí)由脈沖變壓器向VT0發(fā)觸發(fā)信號，由于絕緣柵片頂斷開斷器中的銀片需要經(jīng)過td動(dòng)作延遲時(shí)間，即當(dāng)t2時(shí)刻柵片頂斷銀片時(shí)，電流i1經(jīng)過tc的換流時(shí)間已經(jīng)全部或大部分轉(zhuǎn)移到滅弧熔斷器上，因此開斷器中銀片分?jǐn)鄷r(shí)所形成的燃弧能量極小。然后柵片繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)并形成足夠的開距，tp時(shí)刻滅弧熔斷器熔斷起弧產(chǎn)生過電壓，峰值為Up，此電壓加載到開斷器兩端，如果開斷器內(nèi)部介質(zhì)恢復(fù)絕緣，則可以承受該過電壓，tz為開斷器電流過零后的介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間。

圖2 限流熔斷器分?jǐn)噙^程的電流、電壓示意圖Fig.2 Schematic diagram of CLF current and voltage during disconnection

該方案又稱為觸發(fā)器內(nèi)置方案，與文獻(xiàn)［21-23］將觸發(fā)器置于并聯(lián)支路外部的觸發(fā)器外置方案相比，該方案主要優(yōu)點(diǎn)是開斷器換流時(shí)刻早、換流時(shí)間短、燃弧能量小和介質(zhì)恢復(fù)特性好。觸發(fā)器內(nèi)置方案的唯一不足是增加了開斷器支路的電阻，從而增大了正常通流時(shí)流過滅弧熔斷器的電流，可通過參數(shù)優(yōu)化減小其影響。

船舶直流電力系統(tǒng)對限流熔斷器樣機(jī)提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求如表1所示。

表1 限流熔斷器樣機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)Table1 Design specifications of CLF

2 樣機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)及限流特性分析

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)方法

進(jìn)行限流熔斷器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮裝置的短路分?jǐn)嗵匦院蜏厣匦缘囊?，短路分?jǐn)嗵匦灾饕请娀∮|發(fā)器、開斷器和滅弧熔斷器三者動(dòng)作特性的配合關(guān)系設(shè)計(jì)，溫升特性主要是電弧觸發(fā)器、開斷器和滅弧熔斷器電阻的設(shè)計(jì)。根據(jù)表1的系統(tǒng)要求，性能指標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)的具體約束條件如下：

a.分?jǐn)嘧畲蠖搪冯娏鲿r(shí)，整機(jī)的起弧分?jǐn)鄷r(shí)間tp小于5 ms，短路限流峰值Ip小于30 kA；

b.電弧觸發(fā)器和滅弧熔斷器的換流時(shí)間tc應(yīng)盡量短，使其小于開斷器的動(dòng)作延遲時(shí)間td，以便開斷器在換流結(jié)束后再分?jǐn)?，減小其燃弧能量；

c.開斷器的介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間tz要足夠，根據(jù)前期介質(zhì)恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果，開斷器電流過零后需要預(yù)留100 μs以上介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間才能承受1.5 kV過電壓；

d.整機(jī)的電阻R應(yīng)小于40 μΩ，即發(fā)熱功率小于160 W，以滿足2000 A通流溫升小于70 K要求。

由以上約束條件可得：

其中，R1=Ra+Rb；td可看作恒定值，約為 200～300 μs。

下面對式（1）中性能指標(biāo) tp、Ip、tc、t0、tz的解析式進(jìn)行推導(dǎo)。

假設(shè)短路電流i從0開始按恒定上升率di/dt持續(xù)增長，則可以推導(dǎo)得到觸發(fā)器的動(dòng)作時(shí)間t0：

其中，Q1為電弧觸發(fā)器的弧前值，I1為 i1有效值。

在電弧觸發(fā)器和滅弧熔斷器換流過程中：

由式（3）可推得：

則電弧觸發(fā)器和滅弧熔斷器的換流時(shí)間為：

由式（6）可以得到tp的解析式：

由式（7）可進(jìn)一步得到Ip、tz的解析式。此時(shí)式（1）中各性能指標(biāo)的解析式都已得到，通過式（1）可以檢驗(yàn)限流熔斷器中各組件參數(shù)設(shè)計(jì)是否能滿足約束條件。 同時(shí)，從 tp、Ip、tc、t0、tz的解析式并結(jié)合式（1）可以得到各組件參數(shù)設(shè)計(jì)原則：

a.為了減小t0使裝置快速動(dòng)作，應(yīng)盡量減小Q1和L1；

b.為了減小 tc以使 tc＜td，應(yīng)盡量減小 t0和 L2，增大Ua；

c.為了減小tp、Ip以增強(qiáng)裝置限流效果，應(yīng)盡量減小 Q1、Q2、Ua、L1；

d.為了增加tz以增強(qiáng)關(guān)斷的可靠性，應(yīng)盡量增大Q2、Ua，減小 L1；

e.為了減小 R，應(yīng)盡量減小 Ra、Rb、R2。

設(shè)計(jì)原則c、d對部分參數(shù)的要求有矛盾，但考慮到關(guān)斷可靠性比限流效果更為重要，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮原則d對參數(shù)的要求。綜上所述，對限流熔斷器中各組件參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體數(shù)值如表2所示。

表2 限流熔斷器各組件參數(shù)設(shè)計(jì)值Table 2 Design parameters of CLF components

2.2 限流特性計(jì)算和分析

在表2設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上，利用前文得到的性能指標(biāo)計(jì)算方法，可以計(jì)算得到圖3所示的樣機(jī)限流特性。其中，電源設(shè)為直流640V蓄電池，線路電阻12.8mΩ，即預(yù)期短路電流峰值保持為50 kA，通過改變線路電感取值，調(diào)節(jié)不同的短路電流上升率di/dt，作出不同di/dt下的限流特性。

圖3 預(yù)期短路電流為50 kA時(shí)的限流特性Fig.3 Current-limiting characteristics when expected short circuit current is 50 kA

圖3中3條曲線分別是不同di/dt下的短路限流峰值Ip、整機(jī)起弧分?jǐn)鄷r(shí)間tp以及介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間tz曲線。由圖3可知，介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間tz隨著di/dt的增大而減小，當(dāng) di/dt為 8.3 A /μs時(shí)，tz為 170 μs，滿足大于100 μs的設(shè)計(jì)要求；起弧分?jǐn)鄷r(shí)間tp隨著di/dt的增大而減小，當(dāng) di/dt大于 6.5 A /μs時(shí)，tp將小于5 ms，當(dāng) di/dt為 8.3 A /μs時(shí)，tp為 4.3 ms；短路限流峰值 Ip隨著 di/dt的增大而增大，當(dāng) di/dt為 8.3A /μs時(shí)，Ip為25.3kA，滿足系統(tǒng)對限流熔斷器的指標(biāo)要求。

3 樣機(jī)的短路限流試驗(yàn)

設(shè)計(jì)了如圖4所示的新方案樣機(jī)的短路限流試驗(yàn)電路，采用180 mF電容C1替代蓄電池組作為試驗(yàn)電源，預(yù)先充電至900 V，線路電感L1=108 μH、線路電阻11 mΩ，通過控制VT1導(dǎo)通使C1放電，來模擬電流上升率為8.3 A/μs的短路電流。樣機(jī)由電弧觸發(fā)器串聯(lián)電磁斥力開斷器再并聯(lián)滅弧熔斷器并聯(lián)組成，樣機(jī)參數(shù)取表2的設(shè)計(jì)參數(shù)。試驗(yàn)測量了流過樣機(jī)的總電流i、支路電流i1和i2、限流熔斷器兩端電壓u和電弧觸發(fā)器兩端電壓ua。試驗(yàn)中在樣機(jī)兩端還并聯(lián)了一個(gè)保護(hù)用晶閘管VT2，其作用是在短路試驗(yàn)開始后一定時(shí)間觸發(fā)其導(dǎo)通，將短路電流轉(zhuǎn)移到VT2上，防止發(fā)生樣機(jī)分?jǐn)嗍r(shí)流過開斷器的能量過大將樣機(jī)損毀。

圖4 短路限流試驗(yàn)電路示意圖Fig.4 Test circuit of short circuit current limiting

按照前文所述的試驗(yàn)條件進(jìn)行一次短路限流試驗(yàn)，采用的分流器和陣列式霍爾電流傳感器測量誤差均不超過1%。試驗(yàn)開始后5 ms時(shí)觸發(fā)VT2導(dǎo)通，波形如圖5所示。

圖5 樣機(jī)的短路限流試驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms of short circuit current limiting test for prototype

從試驗(yàn)波形知，短路電流i的上升率為8.3A/μs，電弧觸發(fā)器和滅弧熔斷器兩支路的分流比接近1∶1。電弧觸發(fā)器在3.66 ms時(shí)熔斷起弧，弧壓ua約25 V，觸發(fā)器上的12 kA電流開始向滅弧熔斷器上轉(zhuǎn)移，換流時(shí)間約300μs，電弧觸發(fā)器電壓在3.89 ms變負(fù)，說明開斷器經(jīng)過230 μs動(dòng)作時(shí)間分?jǐn)嗔?。開斷器支路電流i1過零后又經(jīng)過150 μs的介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間，滅弧熔斷器在4.15 ms時(shí)熔斷起弧，電流在4.4 ms時(shí)到達(dá)峰值25.5 kA，同時(shí)電壓峰值為1300 V，開斷器未被該過電壓擊穿，說明其介質(zhì)恢復(fù)良好。換流晶閘管VT2在5 ms時(shí)導(dǎo)通分流，將19 kA換流到VT2上，起到保護(hù)限流熔斷器樣機(jī)的作用。短路限流的試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了2.2節(jié)中Ip、tp計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

通過圖5試驗(yàn)結(jié)果表明開斷器具有較好的介質(zhì)恢復(fù)特性，但150 μs介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間所留的裕量偏小，存在擊穿的隱患。根據(jù)2.1節(jié)中設(shè)計(jì)原則，考慮將觸發(fā)器支路的連線盡量縮短，以減小觸發(fā)器支路的電感L1，使觸發(fā)器支路的分流比提高。這樣一方面可以使觸發(fā)器動(dòng)作時(shí)間t0減小，更快觸發(fā)熔斷，向開斷器發(fā)出分?jǐn)嘈盘枺涣硪环矫婵梢允箿缁∪蹟嗥髦贩至鞅冉档?，使其起弧時(shí)刻tp后移，增加介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間tz，從而提高整機(jī)工作的可靠性。改進(jìn)后的電感L1減小為 0.05 μH。

觸發(fā)器支路的電感L1由0.2 μH改為0.05 μH，利用前文的性能指標(biāo)計(jì)算方法，可以計(jì)算得到圖6所示的改進(jìn)樣機(jī)的限流特性。由圖6可知，當(dāng)di/dt為8.3 A /μs 時(shí)，tz為 620 μs，tp為 3.5 ms，Ip為 22 kA，介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間tz明顯提高，Ip、tp明顯減小。

圖6 預(yù)期短路電流為50 kA時(shí)，改進(jìn)樣機(jī)的限流特性Fig.6 Current-limiting characteristics of improved prototype when expected short circuit current is 50 kA

進(jìn)行了一次和圖4相同短路試驗(yàn)參數(shù)下的改進(jìn)后樣機(jī)限流試驗(yàn)，試驗(yàn)中去掉了保護(hù)用的并聯(lián)晶閘管VT2，得到的波形如圖7所示。短路電流i的上升率為8.3 A/μs，由于觸發(fā)器支路電感減小，因此觸發(fā)器在2.3 ms時(shí)就熔斷起弧，弧壓ua約25 V，電流開始向滅弧熔斷器上轉(zhuǎn)移，換流時(shí)間約210 μs，電弧觸發(fā)器電壓在2.6 ms變負(fù)，說明開斷器經(jīng)過290 μs時(shí)間分?jǐn)嗔耍?.7 ms時(shí)換流結(jié)束。再經(jīng)過600 μs介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間時(shí)間后，滅弧熔斷器在3.3 ms時(shí)熔斷起弧，電流峰值22.2 kA，電壓峰值1450 V。樣機(jī)電流過零后兩端電壓為650 V，滿足額定電壓640 V要求。

圖7 改進(jìn)樣機(jī)的短路限流試驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms of short circuit current limiting test for improved prototype

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過減小電弧觸發(fā)器和開斷器串聯(lián)支路電感，觸發(fā)器起弧時(shí)刻提前，且介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間明顯增長，限流峰值和整機(jī)起弧分?jǐn)鄷r(shí)間減小，驗(yàn)證了2.1節(jié)中設(shè)計(jì)原則的正確性。所研制的基于電磁斥力開斷器的新型限流熔斷器成功實(shí)現(xiàn)了限流分?jǐn)?，限流性能指?biāo)滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于電磁斥力開斷器的限流熔斷器方案及其參數(shù)設(shè)計(jì)原則，開展了額定直流640V/2000 A樣機(jī)限流特性的計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了以下主要結(jié)論。

a.在限流熔斷器設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮以下設(shè)計(jì)原則：為了減小t0使裝置快速動(dòng)作，應(yīng)盡量減小Q1和L1；為了減小 tc，應(yīng)盡量減小 t0和 L2，增大 Ua；為了減小 tp、Ip以增強(qiáng)裝置限流效果，應(yīng)盡量減小 Q1、Q2、Ua、L1；為了增加tz以增強(qiáng)關(guān)斷的可靠性，應(yīng)盡量增大Q2、Ua，減小 L1。

b.限流熔斷器介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間tz隨著di/dt的增大而減小，tp隨著 di/dt的增大而減小，Ip隨著 di/dt的增大而增大。試驗(yàn)結(jié)果表明開斷器的動(dòng)作時(shí)間為200～300 μs，開斷器經(jīng)過 150 μs的介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間可以承受熔斷器起弧產(chǎn)生的1300 V過電壓。

c.經(jīng)過減小電感L1后的改進(jìn)樣機(jī)，在di/dt為8.3 A/μs時(shí)，觸發(fā)器經(jīng)過2.3 ms可以熔斷起弧，換流時(shí)間約 210 μs，經(jīng)過 600 μs 介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間后，滅弧熔斷器熔斷起弧，電流峰值22.2 kA，整機(jī)可靠性和限流性能明顯提高，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，并驗(yàn)證了本文提出的參數(shù)設(shè)計(jì)原則。