楊　青，王　寧

（1.海軍駐上海711所軍事代表室，上海 2 01108；2.上海電器科學(xué)研究所（集團）有限公司，上海 200 063）

船用中壓真空接觸器及熔斷器組合裝置技術(shù)研究

楊青1，王寧2

（1.海軍駐上海711所軍事代表室，上海 2 01108；2.上海電器科學(xué)研究所（集團）有限公司，上海 200 063）

針對船用中壓電力系統(tǒng)的使用要求，本文分析了船用中壓真空接觸器-熔斷器組合裝置（船用FC組合裝置）的技術(shù)特點，提出了船用FC組合裝置在整體結(jié)構(gòu)、抗沖擊、機械聯(lián)鎖、保護特性配合和絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的設(shè)計方案，并通過試驗驗證了關(guān)鍵技術(shù)措施的可行性。

船舶中壓電力系統(tǒng)接觸器熔斷器

0　引言

隨著船舶電氣化水平的不斷提高，用電負荷快速增加，目前很多大型船舶電力系統(tǒng)的總裝機容量已達十幾兆瓦、幾十兆瓦甚至上百兆瓦，中壓電力系統(tǒng)［1］及中壓配電板在船舶上得到了越來越廣泛地應(yīng)用。

船舶中壓配電板由若干斷路器柜、接觸器柜（FC組合柜）按實際使用要求組成［2］，通常包括若干發(fā)電機屏、母聯(lián)屏、預(yù)勵磁屏和負載屏。船用中壓真空接觸器-熔斷器組合裝置（船用FC組合裝置）是船舶中壓配電板中FC組合柜的核心部件，雖然美、英等國已有豐富的使用經(jīng)驗并發(fā)布了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)［3］，但我國船用FC組合裝置的研究、設(shè)計、制造和試驗還處于起步階段。

本文針對船用中壓電力系統(tǒng)的使用要求，分析了船用FC組合裝置的技術(shù)特點，提出了相應(yīng)的設(shè)計方案，并對關(guān)鍵技術(shù)措施進行了試驗驗證。

1　船用FC組合裝置的技術(shù)特點

1.1使用場合

船用中壓真空接觸器和限流熔斷器串聯(lián)可組成船用FC組合裝置，該裝置具有壽命長、體積小、重量輕、不爆炸、不污染環(huán)境、可頻繁操作、可實現(xiàn)較高分斷能力等一系列優(yōu)點，這種以限流熔斷器作為后備保護的組合裝置的供電方式具有良好的經(jīng)濟效益［4］。文獻［5］認為，在1600 k VA及以下的變壓器回路、1200 kW 及以下的高壓電動機回路和1200 kVar及以下的電容器組，更適合選用FC組合柜供電；如果負荷超出此范圍時，則應(yīng)使用真空斷路器柜供電。船舶中壓配電板的組成大體上也遵循這一規(guī)律。因此，在船舶中壓電力系統(tǒng)中，側(cè)推電動機、大容量輔機電動機、預(yù)勵磁變壓器等中壓負載通常由FC組合柜供電。

1.2技術(shù)要求

船用FC組合裝置首先應(yīng)滿足GB/T 11022、GB/T 14808、GB/T 15166.2等國標(biāo)［6-8］的要求，此外還需滿足GJB 4000、GJB 5A、GJB 1915、GJB 150A、GJB 150.18等國軍標(biāo)［9-10］的要求。其主要性能可用如下技術(shù)指標(biāo)（例）描述：

額定電壓：12 kV；額定頻率：50 Hz；額定電流：250 A；接觸器額定開斷電流：2.5 kA；接觸器短時耐受電流：2.5 kA/4 s；1min工頻耐壓（對地、相間/斷口）：42 kV/48 kV；額定雷電沖擊耐壓（對地、相間/斷口）：75 kV /85 kV；接觸器與熔斷器配合（FC組合裝置）額定短路開斷電流：50 kA；工作環(huán)境：有鹽霧、油霧、霉菌、傾斜、搖擺、沖擊和振動等影響。

2　船用FC組合裝置的設(shè)計

2.1整體結(jié)構(gòu)

本文提出的船用FC組合裝置主要由船用中壓真空接觸器（以下簡稱接觸器）、中壓限流熔斷器（以下簡稱熔斷器）以及底盤車等部件構(gòu)成。該裝置的基本工作原理是負荷的正常啟動和停止全部依靠接觸器來完成，接觸器同時還承擔(dān)著部分過載電流的開斷任務(wù)，充分利用了接觸器可頻繁操作和機械壽命長的優(yōu)勢；而較為嚴重的大電流或短路電流的開斷任務(wù)則由熔斷器來完成，充分利用熔斷器的限流特性以及預(yù)期開斷電流大的優(yōu)勢。由于船用FC組合裝置實際使用時主要配裝于中置式中壓配電板中，綜合考慮裝置重心和小型化，設(shè)計將接觸器水平安裝于底盤車上，將熔斷器架安裝于接觸器上方，熔斷器水平安裝于熔斷器架內(nèi)，形成下層接觸器、上層熔斷器的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　船用FC組合裝置結(jié)構(gòu)示意圖

船用FC組合裝置采用可移開式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于實現(xiàn)裝置間的互換性、減少維修時間。從電氣回路上看，熔斷器位于電源側(cè)，可使熔斷器的保護范圍最大化；通過一次梅花觸頭連接至中壓配電板的一次回路，通過二次航空插頭連接至中壓配電板的二次回路。船用FC組合裝置正面配有面板，用于安裝計數(shù)器、合分閘指示、手動分閘按鈕等指示裝置。

2.2抗沖擊設(shè)計

船用FC組合裝置必須滿足艦船機械環(huán)境、特別是強沖擊的影響。當(dāng)出現(xiàn)強沖擊情況時，船用FC組合裝置應(yīng)能保持原有工作狀態(tài)，觸頭彈跳控制在一定范圍內(nèi)，不發(fā)生誤動作。

現(xiàn)有接觸器產(chǎn)品的主流合閘保持方式可分為機械保持方式和電保持方式：采用線圈長期通電保持的稱為電保持；采用機械式鎖扣裝置保持的稱為機械保持。通過對兩種保持方式保持機理進行比較，結(jié)合大量沖擊摸底試驗，發(fā)現(xiàn)在強沖擊情況下，由于電保持方式保持力比較小，并且受到供電回路中二次控制元件出現(xiàn)觸頭彈跳導(dǎo)致合閘電磁鐵短時失電的影響，將引起接觸器主觸頭約200ms左右的彈跳；相比電保持，機械保持更有利于抗沖擊的實現(xiàn)。為此，針對機械保持樣機在沖擊摸底試驗中誤動作的情況，以機構(gòu)配置平衡為主要思路，設(shè)計出了一套連桿平衡保持機構(gòu)（如圖2所示），使得強沖擊對保持機構(gòu)在各個方向的影響都互為抵消，降低了沖擊產(chǎn)生誤動作的可能性。

圖2　接觸器的抗沖擊保持機構(gòu)

除設(shè)計特殊保持機構(gòu)外，結(jié)構(gòu)強度對強沖擊下接觸器合閘狀態(tài)的保持至關(guān)重要，結(jié)構(gòu)部件的扭曲形變量超出保持機構(gòu)的設(shè)計余量時，將導(dǎo)致不可逆的誤動作。因此設(shè)計中必須對關(guān)鍵部件進行結(jié)構(gòu)加強。另外，還需同時對船用FC組合裝置的結(jié)構(gòu)強度進行加強。

其他抗沖擊措施還有：選用質(zhì)量輕強度高的零部件；配合通過局部減振的方式對部分二次回路控制元件進行減振處理；設(shè)計以接觸器轉(zhuǎn)動的支點為中心、最大化地將結(jié)構(gòu)進行完全對稱布置，以達到理想的平衡工作狀態(tài)，從而將沖擊激勵在正向、垂向和側(cè)向三個方向產(chǎn)生的影響互為抵消。

2.3聯(lián)鎖設(shè)計

船用FC組合裝置必須設(shè)計聯(lián)鎖機構(gòu)［6］以防止人員誤操作而造成事故，主要設(shè)計有以下幾類聯(lián)鎖：熔斷器熔斷分閘接觸器聯(lián)鎖，當(dāng)熔斷器熔斷時可及時分閘接觸器；防止誤分、合接觸器聯(lián)鎖，只有該裝置處在工作位置和隔離位置時接觸器才能進行合分閘操作；防止帶負荷推拉聯(lián)鎖，接觸器只有處于分閘位置時該裝置才能搖進搖出；預(yù)留與成套設(shè)備內(nèi)接地開關(guān)聯(lián)鎖接口，該功能需結(jié)合成套設(shè)備設(shè)計實現(xiàn)，當(dāng)接地開關(guān)合閘時，該裝置不能從隔離位置進入到工作位置，當(dāng)該裝置處于工作位置時，接地開關(guān)不能合閘。

2.4保護特性配合

當(dāng)船用FC組合裝置用于向側(cè)推電動機、大容量輔機電動機等電動機負載供電時，通常采用綜合繼電保護裝置控制接觸器合分閘對小電流故障進行反時限或定時限保護；當(dāng)故障電流大于接觸器開斷電流時，采用熔斷器提供短路保護。當(dāng)船用FC組合裝置用于向預(yù)勵磁變壓器負載供電時，由于是短時工作，可不考慮對小電流故障進行反時限或定時限保護，只需采用熔斷器提供短路保護。

船用FC組合裝置中的熔斷器需根據(jù)供電負載的類型和使用條件來確定額定電流。此外，由于船用FC組合裝置通常規(guī)定使用環(huán)境為50℃，按文獻［8］的規(guī)定，當(dāng)熔斷器周圍溫度超過40℃時，則每升高1℃，熔斷器額定電流應(yīng)減少1%使用。熔斷器型號確定后，需對接觸器與熔斷器的保護配合（SCPD）進行校核。以本文設(shè)計的船用FC組合裝置為例，選用庫柏西熔生產(chǎn)的XRNT1-12（SXLDJ-12kV/200A-50kA）型熔斷器，其額定最大開斷電流為50 k A，額定最小開斷電流為2.5 kA，時間-電流特性曲線如圖3中200 A對應(yīng)的曲線所示。接觸器的參數(shù)見本文2.2節(jié)。接觸器與熔斷器保護配合（SCPD）校核主要針對兩個方面。

1）接觸器承受熔斷器開斷50 kA大電流時產(chǎn)生能量的校核

為了驗證熔斷器開斷50 kA電流時，接觸器可否承受10 ms的極短時大電流產(chǎn)生的能量，分別對熔斷器開斷50 kA大電流時的總能量和接觸器額定短時耐受時的總能量進行計算比較。

熔斷器開斷時的總能量：Q1=i2t＜（50kA）2×10ms=2.5×107J

接觸器短時耐受時的總能量：Q2=i2t=（2.5kA）2×4s=2.5×107J Q1＜Q2，接觸器能夠承受極短時的大電流。

2）接觸器額定開斷電流范圍內(nèi)機械強度的校核

接觸器的額定開斷電流指標(biāo)為2.5 kA，額定短時耐受電流指標(biāo)為2.5 kA/4 s，根據(jù)熔斷器時間-電流特性曲線可見，當(dāng)預(yù)期電流為2.5 kA時，弧前時間約為0.5 s，遠小于4 s的額定短時耐受時間，故接觸器在開斷能力范圍內(nèi)不會有損壞。

所選用的熔斷器與接觸器可以實現(xiàn)保護配合（SCPD），在接觸器額定開斷電流范圍內(nèi)以及熔斷器開斷大電流的極短時間內(nèi)，接觸器均不會損壞。

2.5絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

船用FC組合裝置長期運行于潮濕海洋環(huán)境中，且作為中壓產(chǎn)品，工作環(huán)境的電壓等級較高，應(yīng)充分考慮絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證設(shè)備運行時的安全可靠。接觸器中的核心部件為真空滅弧室，通過滅弧室內(nèi)部真空優(yōu)良的絕緣性能使得電路切斷電源后能迅速熄弧并抑制電流。根據(jù)船用環(huán)境特點，選用爬電距離大的波紋型真空滅弧室更有利于絕緣，除此之外，還應(yīng)通過在放電路徑上設(shè)置固體絕緣隔板、在裸露導(dǎo)體外部敷設(shè)絕緣材料等措施加大電氣間隙，通過在絕緣件中設(shè)計筋槽等措施加大爬電距離。

3　船用FC裝置關(guān)鍵技術(shù)試驗驗證

3.1抗沖擊

船用FC組合裝置需要對其抗沖擊性能進行驗證?？箾_擊試驗按文獻［13］ 的方法進行，試驗后首先應(yīng)符合以下要求：1）應(yīng)無影響產(chǎn)品正常使用的機械損壞；2）接觸器合分閘狀態(tài)不應(yīng)改變；3）觸頭允許有不超過20 ms的瞬時斷開，但不允許從斷開位置變成閉合。

在畜禽養(yǎng)殖地區(qū)，有不法分子，也總是有人收購病死畜禽，這些人員成為畜禽疫病傳播的主要途徑，嚴重危害了養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展和人民的身體健康，所以要加大對這些人員的打擊力度，一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)該從嚴從重給予處罰，必要時追究刑事責(zé)任，廣大養(yǎng)殖戶也要樹立自覺維護養(yǎng)殖環(huán)境的正確觀念，拒絕出售病死畜禽，將病死畜禽進行無害化處理。

不同于低壓電器產(chǎn)品，船用FC組合裝置額定電壓等級高達12 k V，在受到強沖擊后應(yīng)確保其絕緣良好、仍可安全運行，因此試驗后還須增加以下驗證試驗：

1）工頻耐受電壓試驗，施加的試驗電壓為船用FC組合裝置額定工頻耐受電壓值的85%；

2）溫升試驗，溫升最大值應(yīng)不高于文獻［6］表3中的數(shù)值；

3）真空度測試，真空滅弧室內(nèi)部氣體壓力應(yīng)低于6.6×10-2 Pa［15］。

船用FC組合裝置符合上述規(guī)定，則沖擊試驗判為合格。

船用FC組合裝置須按文獻［7］進行聯(lián)鎖性能驗證，主要項目有：

1）撞擊器聯(lián)動聯(lián)鎖。由于撞擊器熔斷時撞擊力值與行程參數(shù)有關(guān)，因此，用最小能量的撞擊器（可采用模擬撞擊器）對船用FC組合裝置A、B和C相各進行操作試驗30次，用最大能量的撞擊器（可采用模擬撞擊器）對船用FC組合裝置同時進行三相操作試驗10次，由此確保撞擊器最小能量時能觸發(fā)接觸器分閘，但最大能量觸發(fā)接觸器分閘時不會損壞聯(lián)鎖本身。試后聯(lián)鎖機構(gòu)應(yīng)與試前相同，動作可靠；

2）防誤合聯(lián)鎖。將一只帶有已伸出撞擊器的模擬熔斷器調(diào)整至其最小實際行程，依次對船用FC組合裝置A、B和C相進行試驗，應(yīng)確保此時接觸器既不能合閘也不能保持在合閘狀態(tài)；

3）防帶負荷移動聯(lián)鎖。將防止帶負荷拉動船用FC組合裝置聯(lián)鎖處于閉鎖位置，施加正常操作力對該其試操作50次、對可移開部件進行25次插入和25次抽出的試操作，此時船用FC組合裝置不可能被操作、可移開部件的插入和抽出完全被阻止、且試驗前后操作力應(yīng)基本相同。

船用FC組合裝置符合上述規(guī)定，則聯(lián)鎖試驗判為合格。

4　結(jié)論

為了滿足船舶中壓電力系統(tǒng)的使用要求，本文設(shè)計了具有如下特點的船用FC組合裝置：整體結(jié)構(gòu)方面，采用下層接觸器、上層熔斷器的可移開式的結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗沖擊方面，設(shè)計了一套連桿平衡機械保持機構(gòu)；機械聯(lián)鎖方面，預(yù)留有與成套設(shè)備內(nèi)接地開關(guān)的聯(lián)鎖接口；保護特性配合（SCPD）方面，進行了短路電流開斷能量和機械強度的校核；絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用了加大電氣間隙和爬電距離的結(jié)構(gòu)。還進行了抗沖擊、機械聯(lián)鎖等試驗，驗證了相關(guān)技術(shù)措施的正確性。

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［8］ GB/T 15166.2： 2008. 高壓交流熔斷器 第2部分：限流熔斷器［S］.

［9］ GJB 4000： 2000. 艦船通用規(guī)范 3組 電力系統(tǒng)［S］.

［10］ GJB 5A： 1995. 艦用低壓電器通用規(guī)范［S］.

Research on Technique of Medium Voltage Fuse-Contactor Unit Equipment for Ships

Yang Qing1，Wang Ning2
（1. The Naval Representatives Office in No.711 Research Institute，Shanghai 201108，China；2. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute，Shanghai 200063，China）

In allusion to the requirements of a marine medium voltage power system, this paper analyzes the technical characteristics of the medium voltage Fuse-Contactor unit equipment, and presents design scheme of the fuse-contactor unit equipment especially including overall structure, shock resistance, mechanical interlocking, protection characteristic and insulation system. Finally the feasibility of these key techniques is verified by experiments.

ship; medium voltage; power system; contactor; fuse

TM463

A

1003-4862（2015）09-0052-04

2015-07-09

楊青（1967-），男，高級工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)、開關(guān)電器。