潘永德

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直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)熔斷器的仿真與試驗(yàn)研究

潘永德

（大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013）

熔斷器是直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵元件，本文研究了熔斷器在直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)保護(hù)中的原理和特性。通過(guò)熔斷器熔斷試驗(yàn)，總結(jié)了熔斷器熔斷過(guò)程、特性和關(guān)鍵參數(shù)，并以此利用數(shù)值方法建立了熔斷器的仿真模型，該模型仿真計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近。該仿真模型能夠用于后續(xù)直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)的短路電流計(jì)算，為后續(xù)直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供幫助。

直流組網(wǎng) 熔斷器 數(shù)值建模 短路電流計(jì)算

0 引言

迄今為止，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)工程應(yīng)用經(jīng)過(guò)了三個(gè)發(fā)展階段：直流電力推進(jìn)系統(tǒng)、交流電力推進(jìn)系統(tǒng)及直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)[1]。直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)是下一代電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要形式[2]，目前已在高端船舶廣泛推廣應(yīng)用。直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)中，交流發(fā)電機(jī)組整流后并入直流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)逆變后驅(qū)動(dòng)交流推進(jìn)電機(jī)或者為日用負(fù)荷供電。

直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

直流組網(wǎng)系統(tǒng)中各支路的直流開關(guān)為隔離開關(guān)，不起保護(hù)作用，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開關(guān)長(zhǎng)期閉合。當(dāng)直流電網(wǎng)的某支路發(fā)生短路故障時(shí)，直流主干網(wǎng)的在網(wǎng)電容經(jīng)直流主干網(wǎng)向同一個(gè)短路點(diǎn)放電，放電回路包含上圖的各分布參數(shù)和元器件參數(shù)。熔斷器是該直流組網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)中的關(guān)鍵部件。

本文重點(diǎn)分析了直流組網(wǎng)系統(tǒng)中使用的熔斷器的保護(hù)原理，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其特性和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)數(shù)值方法建立了熔斷器的仿真建模，應(yīng)用于直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)的短路計(jì)算中。

1 直流熔斷器原理

熔斷器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示，其的作用是限制短路電流，當(dāng)通過(guò)熔斷器的電流超過(guò)其最小熔斷電流時(shí)，熔斷器由于過(guò)熱而熔化，繼而產(chǎn)生汽化，電弧開始產(chǎn)生，最后電弧熄滅，絕緣恢復(fù)，熔斷器工作過(guò)程結(jié)束[3]。

短路電流在熔斷器切斷故障回路的過(guò)程中可以分為兩個(gè)階段：弧前階段和燃弧階段，如圖 3所示。當(dāng)熔斷器的電流逐漸增加，熔斷器的發(fā)熱超過(guò)了熔斷器的熱擴(kuò)散，熔斷器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了熱的累積，當(dāng)溫度累積到一定的程度，會(huì)導(dǎo)致熔斷器的熔體從金屬狀態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，這一過(guò)程為弧前階段（t）。為了達(dá)到這種條件的2稱為弧前2。如果此時(shí)熔斷器繼續(xù)熔斷過(guò)程，則熔斷器拉弧，并繼續(xù)吸收能量，直到電弧熄滅，熔斷器徹底斷路，這一過(guò)程為燃弧階段（t）。在這一過(guò)程中的2稱之為電弧2。

圖1 直流組網(wǎng)系統(tǒng)直流主干網(wǎng)等效電路

圖2 熔斷器結(jié)構(gòu)示意圖

在弧前階段，熔斷器是可恢復(fù)的，并沒(méi)有受到損傷；在熔斷器達(dá)到弧前2之后，熔斷器內(nèi)部起弧并損傷，無(wú)法繼續(xù)使用。

參見圖3，弧前階段中熔斷器等效阻值較小，短路電流主要由系統(tǒng)阻抗決定，電流波形按照預(yù)期短路電流波形持續(xù)上升。燃弧階段會(huì)產(chǎn)生電弧，熔斷器等效阻值非常大，短路電流在起弧瞬間達(dá)到最大值，即切斷電流（Cut-off current），起弧后短路電流會(huì)偏離預(yù)期短路電流并逐漸減小。整個(gè)熔斷時(shí)間t之后，短路電流過(guò)零，熔斷器電弧電壓與短路點(diǎn)殘余電壓相同，熔斷器將故障回路從系統(tǒng)中切除。

圖3 短路故障時(shí)電壓和電流曲線

2 熔斷器熔斷試驗(yàn)

為了驗(yàn)證熔斷器熔斷特性和對(duì)回路電流的影響，做了多組針對(duì)多型熔斷器的短路放電試驗(yàn)。試驗(yàn)回路如下：

圖4 電容-熔斷器放電試驗(yàn)主回路

首先經(jīng)過(guò)調(diào)壓器和二極管整流橋?qū)χ绷髂妇€支撐電容充電，待充電到試驗(yàn)電壓后，斷開K2，閉合K3，模擬直流短路過(guò)程，試驗(yàn)中測(cè)量電容電壓、回路電流和熔斷器兩端電壓。

其放電回路等效電路如圖5。

被測(cè)熔斷器型號(hào)西安開爾泰電力電子制造有限公司KHD3-K-400A/750V以及KHD3- K-630 A/750 V兩款熔斷器。典型試驗(yàn)波形如圖6、圖7。

圖5 熔斷器試驗(yàn)等效電路

3 仿真建模原理

熔斷器可以等效為一個(gè)可變電阻的模型，如圖8所示。

熔斷器電感由其結(jié)構(gòu)決定，相比線路電感非常小且相對(duì)固定，將其等效為固定電感。

圖6 未熔斷時(shí)的試驗(yàn)波形

圖7 正常熔斷試驗(yàn)波形

圖8 熔斷器等效模型

可變電阻模型以可變電壓源為基礎(chǔ)創(chuàng)建。在正常工況下熔斷器等效阻值較小，在短路狀態(tài)時(shí)，通常有大量的電流流入熔斷器，熔斷器的溫度急劇上升，其電阻隨之增大；當(dāng)?shù)竭_(dá)弧前2后，熔體迅速汽化為氣態(tài)并被激發(fā)，成為等離子態(tài)，受石英砂冷卻和壓力的影響，熔斷器等效電阻迅速增大，回路電流迅速減?。划?dāng)回路電流減小到0時(shí)，說(shuō)明熔斷器已經(jīng)滅弧，完全斷開。

由于熔斷器的工作有明顯的階段區(qū)分，所以分階段對(duì)熔斷器等效電阻進(jìn)行建模[4]：

1）正常運(yùn)行階段：熔斷器通流在額定電流以下時(shí)，阻值不變；

2）弧前階段：過(guò)流導(dǎo)致熔斷器發(fā)熱高于其自身散熱，熔斷器內(nèi)部溫度升高，阻值增大；判據(jù)：通流大于額定的電流的1.2倍。

3）燃弧階段：部分熔芯融化、汽化、起弧，阻值迅速增大，電流出現(xiàn)拐點(diǎn)開始減小。判據(jù)：電流累積2達(dá)到弧前2；

4）熔斷階段：起弧的等離子體柱受到石英砂擠壓降溫熄滅，電流到零。判據(jù)：電流累積2達(dá)到熔斷2（與當(dāng)前熔斷器兩端電壓有關(guān)），電流接近零。

根據(jù)以上分析，建立熔斷器數(shù)值模型，使用該模型搭建試驗(yàn)回路與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：

圖9 574 V電容放電試驗(yàn)波形

由對(duì)比圖可以看出熔斷器仿真模型能夠準(zhǔn)確的模擬熔斷器熔斷外特性，可以帶入系統(tǒng)模型對(duì)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)工作提供參考。

4 小結(jié)

熔斷器是直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，本文重點(diǎn)分析了直流組網(wǎng)系統(tǒng)中使用的熔斷器的保護(hù)原理和特性，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其特性和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，并通過(guò)數(shù)值方法建立了熔斷器的仿真建模，能夠應(yīng)用于直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)的短路計(jì)算中。

[1] 張鵬, 石媛. 基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真研究[J]. 船電技術(shù), 2016, 36(9): 53-56.

[2] T. V. Vu, S. Paran, T. E. Mezyani and C. S. Edrington. Real-time distributed power optimization in the DC microgrids of shipboard power systems[C]. 2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), 2015: 118-122.

[3] 杜曉牧. 光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷器的發(fā)展與應(yīng)用[J].太陽(yáng)能技術(shù)產(chǎn)品與工程, 2016 (8): 21-25.

[4] 吳迪, 李紅江, 畢坤, 楊鋒. 基于EMTDC_PSCAD的熔斷器仿真模型[J]. 船電技術(shù), 2011(6): 14-17.

DC Power Station Electric Propulsion System Based on Variable Speed Generation

Pan Yongde

(Dalian Institute of measurement and control technology, Dalian 116013, Liaoning, China)

TM611

A

1003-4862（2019）06-0014-03

2018-12-13

潘永德(1989-)，男，助理工程師，從事船舶電氣相關(guān)專業(yè)。