蓋忠偉 張家貴 姚俊林

（武漢杭久電氣有限公司 湖北省武漢市 430205）

隨著艦船事業(yè)的蓬勃發(fā)展，建造出操作性、運行效率、功率密度性能更加優(yōu)異的艦船提上了發(fā)展日程，艦船中壓直流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的提出，有利于提高能源利用率。而在艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中采用直流電力系統(tǒng)，不是單純意味著回到直流供電系統(tǒng)，而是將直流電的優(yōu)勢和交流電的優(yōu)勢相結(jié)合，形成更加完善合理的艦船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到節(jié)省空間、節(jié)約能源、延長設(shè)備工作壽命等多種目的。目前，除了針對與艦船中壓直流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)本身的研究，如系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)特性、系統(tǒng)穩(wěn)定性成為了艦船行業(yè)突出研究點，在系統(tǒng)中可能存在的理論問題如直流斷路器設(shè)計、直流電流保護(hù)裝置設(shè)計等研究，同樣是國內(nèi)外學(xué)者和專家致力研究的重點。艦船直流電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，電流可達(dá)數(shù)萬安培，可將幾公斤的鋼鐵瞬間氣化為等離子體，為確保安全，直流保護(hù)開關(guān)要求非?？煽?、靈敏的在規(guī)定時間內(nèi)將電路斷開[1]。

本系統(tǒng)在設(shè)計中對蓄電池串聯(lián)、短路電流保護(hù)、瞬時大電流高精度檢測等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，研制出一種艦船直流電力系統(tǒng)短路電流模擬裝置，滿足艦船直流保護(hù)開關(guān)進(jìn)行短延時、長延時保護(hù)特性試驗的需求，模擬短路過程恢復(fù)電壓特性，在保護(hù)開關(guān)電弧熄滅后，提供恢復(fù)電壓，為艦船直流保護(hù)開關(guān)短路、過載試驗提供了試驗平臺。

1 國內(nèi)直流保護(hù)開關(guān)短路特性檢測現(xiàn)狀

目前艦船直流保護(hù)開關(guān)短路特性檢測現(xiàn)狀主要存在以下兩方面的問題：

一方面，直流電力系統(tǒng)中使用的直流保護(hù)開關(guān)的短路特性都是生產(chǎn)廠家在設(shè)備出廠時提供的數(shù)據(jù)，使用、檢修及維護(hù)人員不具備相關(guān)檢測手段，難以確認(rèn)其保護(hù)特性是否符合要求。而且由于時間的推移，開關(guān)的保護(hù)特性也會隨之發(fā)生改變，特別是運行時間超過三年后，設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)會發(fā)生很大變化，從而造成當(dāng)電力系統(tǒng)故障時，保護(hù)開關(guān)發(fā)生誤動或拒動。

另一方面，國內(nèi)進(jìn)行直流保護(hù)開關(guān)短路特性的檢查設(shè)備均為固定的電源、固定負(fù)載等設(shè)備，試驗分析儀器一般采用常規(guī)設(shè)備如電壓表、電流表、示波器等，整個測試系統(tǒng)接線復(fù)雜使用不便，智能化程度不高。因此有必要研制出一套自動化的測試裝置，能夠很方便對直流保護(hù)開關(guān)的短路特性進(jìn)行測試和試驗[2]。

2 直流保護(hù)開關(guān)模擬短路試驗裝置的組成及工作原理

直流保護(hù)開關(guān)模擬短路試驗裝置主要由電壓模擬裝置（蓄電池組）、可調(diào)電阻柜、開關(guān)柜（含電感、合閘后備開關(guān)、試驗安全保護(hù)開關(guān)）、遠(yuǎn)程控制臺（試驗測控系統(tǒng)）組成。采用1000Ah 硅能鉛酸電池組作為電壓模擬裝置，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)回路中的可調(diào)電阻和電感值，控制蓄電池組輸出電流，完成對被測直流開關(guān)的短延時保護(hù)及長延時保護(hù)測試。系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1：系統(tǒng)組成

直流電力系統(tǒng)短路電流模擬裝置不工作時合閘后備開關(guān)Q1 及試驗安全保護(hù)開關(guān)Q2 斷開，保證蓄電池組與測試系統(tǒng)其他組件電氣隔離，此時可進(jìn)行實驗前準(zhǔn)備工作，如可調(diào)電阻、電感的切換，被測直流開關(guān)Q3 連接等工作。準(zhǔn)備開始試驗時，試驗測控系統(tǒng)先閉合被測試開關(guān)Q3 和試驗安全保護(hù)開關(guān)Q2，合閘后備開關(guān)Q1 處于斷開狀態(tài)。試驗開始時，試驗測控系統(tǒng)閉合合閘后備開關(guān)Q1，試驗電路導(dǎo)通，電流通過被測開關(guān)Q3，達(dá)到電流脫扣值，被測直流開關(guān)Q3 斷開，再經(jīng)過一定延時，試驗測控系統(tǒng)在試驗平臺電流為零情況下先后分?jǐn)嘣囼灠踩Ｗo(hù)開關(guān)Q2 和合閘后備開關(guān)Q1；若被測直流開關(guān)Q3 試驗分?jǐn)嗍。囼灉y控系統(tǒng)延時一定時間后強制先后分?jǐn)嘣囼灠踩Ｗo(hù)開關(guān)Q2 和合閘后備開關(guān)Q1，將試驗開關(guān)Q3 與電源電氣隔離。試驗安全保護(hù)開關(guān)Q2、合閘后備開關(guān)Q1 都具備帶電流分?jǐn)嗄芰Γ乐蛊渲幸慌_出現(xiàn)故障時無法分?jǐn)嘣囼炂脚_電流，對試驗平臺起雙重后備保護(hù)作用。

3 電壓模擬裝置（蓄電池柜）設(shè)計

電壓模擬裝置（蓄電池柜）由12 臺電池柜組成，每臺電池柜含38 個2V/1000AH 的硅能蓄電池，38 個蓄電池通過銅排進(jìn)行串聯(lián)，12 臺電池柜首尾相連進(jìn)行串接，456 塊硅能蓄電池串聯(lián)為試驗平臺提供約900V 直流電壓。硅能蓄電池是一種新型環(huán)保蓄電池，采用全新機(jī)理的復(fù)合硅鹽作為電解質(zhì)，其比能量特性、大電流放電特性、低溫特性、使用壽命、環(huán)保性能等均優(yōu)于目前國內(nèi)外普遍使用的鉛酸蓄電池，綜合性價比高。[3]

每臺蓄電池柜分為四層，上面三層正反兩面均布置有蓄電池，最下一層正反兩面布置電池、蓄電池監(jiān)測裝置及進(jìn)出線銅排，電池柜每面19 塊電池通過銅排連接，正反兩面電池也通過折彎銅排串聯(lián)，蓄電池柜結(jié)構(gòu)及電池布置圖如圖2所示。電池柜機(jī)柜采用標(biāo)準(zhǔn)GGD 機(jī)柜，內(nèi)部使用矩形鋼管設(shè)置支架進(jìn)行加固，保證在沖擊振動下或起吊運輸過程中不會發(fā)生永久變形。機(jī)柜設(shè)前后門，前后門均為對開門，采用鉸鏈和門鎖固定，門開啟角度≥90°。機(jī)柜采用自然散熱，其前后門板下方設(shè)有不同數(shù)量的進(jìn)風(fēng)孔，頂部設(shè)有出風(fēng)孔。機(jī)柜外殼的防護(hù)形式為防護(hù)式，在柜頂出風(fēng)口上方加裝雨棚，四角布置四個吊裝環(huán)，方便吊裝。在柜底設(shè)置了蓄電池監(jiān)測裝置，能夠監(jiān)測每塊蓄電池電壓，同時通過放置在蓄電池殼體上的溫度傳感器監(jiān)測蓄電池溫度，蓄電池監(jiān)測裝置能夠?qū)㈦姵氐碾娏考皽囟刃畔⑼ㄟ^CAN 總線上傳。

圖2：蓄電池柜結(jié)構(gòu)及電池布置圖

4 開關(guān)柜設(shè)計

開關(guān)柜由試驗安全保護(hù)開關(guān)、合閘后備開關(guān)、電感及電流電壓傳感器等組成。試驗安全保護(hù)開關(guān)和合閘后備開關(guān)具備帶電流分?jǐn)嗄芰Γ环矫嬖囼炦^程中用于合閘及斷開試驗平臺與被測開關(guān)的連接，另一方面需要在被測開關(guān)在短路無法正常分?jǐn)鄷r，主動分?jǐn)嘣囼炂脚_電流，對試驗平臺起保護(hù)作用。電感在試驗中存儲能量，限制電路中電流上升率。開關(guān)柜在設(shè)計中重點考慮了直流斷路器上方的滅弧安全距離，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3：開關(guān)柜結(jié)構(gòu)示意

4.1 開關(guān)選型

試驗臺架工作電壓DC700V-900V，最大電流5000A，試驗安全保護(hù)開關(guān)Q2 和合閘后備開關(guān)Q1 選用武漢長海電氣生產(chǎn)的全新直流快速斷路器ZDS3-40/09S 直流快速斷路器。該斷路器具有可靠的機(jī)械閉鎖結(jié)構(gòu)，以防正常情況下誤動作，并在故障情況下能可靠分閘，斷路器帶機(jī)械強制脫扣裝置（分閘時間在3 至5ms）。額定工作電壓900V，最大工作電壓1000V，額定絕緣電壓3000V，額定工作電流4600A，額定短路電流180KA，100ms，均可滿足實驗條件，如圖4 所示。

圖4：直流快速斷路器主要參數(shù)

4.2 電感

電感采用銅箔卷繞，用銅排作為引出端，共設(shè)置四個50uH/1500A 電感，可靈活的改變連接方式得到需要的電感值。

4.3 電壓電流檢測

電壓檢測采用電壓傳感器LV100-1000，額定檢測電壓1000V，最大檢測電壓1500V，輸出電流50mA。電流檢測采用電流傳感器HAZ6000-SBI，額定檢測電流6000A，輸出電流20mA。電壓電流傳感器輸出信號通過信號調(diào)理電路送入模擬量數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行計算。

5 可調(diào)電阻柜設(shè)計

可調(diào)電阻柜在電氣回路中用于限制短路電流，主回路采用8 臺接觸器控制4 個電阻器的串并聯(lián)組合成不同的阻值，在外部電壓下得到所需要的電流值。每只電阻器阻值精度保證在±3%以內(nèi)，且滿足在一定電流、電壓和時間條件下穩(wěn)定可靠工作。

可調(diào)電阻柜的電阻與電感等部件之間連接采用高溫導(dǎo)線，電流匯總采用銅排。主回路接口為銅排，在柜體底部；控制回路接口為圓形連接器，也安裝在柜體底部，包括接觸器控制線路和輔助觸點信號線路。同時柜體面板上預(yù)留指示燈，顯示接觸器分合閘狀態(tài)。

電阻柜滿足在電壓DC900V，電流5000A 的工況下短期工作要求，遠(yuǎn)程操作控制接觸器分合閘狀態(tài)進(jìn)行檔位切換，切換時只能進(jìn)行無負(fù)荷分?jǐn)?，通電中?yán)禁切換接觸器。用戶可根據(jù)需要進(jìn)行開關(guān)組合，可得阻值與電流如表1 所示。

表1：電阻柜阻值（電流）與接觸器狀態(tài)對應(yīng)表

可調(diào)電阻柜為框架式結(jié)構(gòu)，側(cè)面、背面均用薄鋼板封閉，正面為鋼質(zhì)門。本設(shè)備柜體內(nèi)設(shè)置接地螺柱，并設(shè)有明顯的接地標(biāo)識。設(shè)備內(nèi)的電氣元件、電纜等都有永久性的，與電路圖一致的標(biāo)志。儀表和指示燈的位置可方便操作人員的觀察；操作部件的高度適合操作，設(shè)備內(nèi)器件的布置可方便于檢修更換。

6 遠(yuǎn)程控制臺（試驗測控系統(tǒng)）設(shè)計

試驗測控系統(tǒng)的主要硬件平臺是一臺工控機(jī)，系統(tǒng)軟件采用LABVIEW 編制，LabVIEW 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。其外觀和操作均模仿現(xiàn)實儀器，這一點的設(shè)計，大大方便了傳統(tǒng)的儀器工程師，也是其成功的一個重要因素。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”，由此突出了軟件在虛擬儀器系統(tǒng)中的重要性[4]。

通過數(shù)據(jù)采集卡接受外部電流、電壓模擬量信號和斷路器狀態(tài)的開關(guān)量信號，實時顯示各項參數(shù)和開關(guān)狀態(tài)，并記錄試驗時電流、電壓波形。通過操作界面發(fā)出動作指令控制斷路器分合閘。

控制系統(tǒng)軟件有三層界面，第一層界面控制和顯示整個系統(tǒng)的各個斷路器分合閘，顯示蓄電池電壓等情況；第二層界面控制和顯示電阻柜參數(shù)匹配設(shè)定，可以操作接觸器分合閘，預(yù)算阻值與電流情況；第三層界面是在實驗完成后顯示電流電壓實時波形圖。軟件顯示界面如圖5 所示。

圖5：試驗測控系統(tǒng)軟件界面示意圖

控制系統(tǒng)的計算機(jī)安裝在遠(yuǎn)程控制臺內(nèi)，控制臺內(nèi)還有輔助電源和中間繼電器板。接口分四路，包括AC220V 電源、電阻柜接觸器控制和開關(guān)信號檢測、主回路電流電壓模擬量信號采樣、合閘后備開關(guān)Q1、試驗安全保護(hù)開關(guān)Q2、被測試開關(guān)Q3 控制和開關(guān)信號采樣，接口全部采用圓形連接器形式，方便插拔和接線。在遠(yuǎn)程控制臺上設(shè)置有緊急停止開關(guān)，能在緊急情況下斷開整個系統(tǒng)電源。

7 結(jié)論

直流電力系統(tǒng)短路電流模擬裝置的電壓模擬裝置的蓄電池柜的通用化、模塊化設(shè)計，方便生產(chǎn)制造及維修更換，蓄電池柜具有電壓測量、溫度傳感器，開關(guān)柜試驗安全保護(hù)開關(guān)及合閘后備開關(guān)均具備帶電流分?jǐn)嗄芰?，能夠保證系統(tǒng)安全可靠運行。通過試驗測控系統(tǒng)軟件的控制可實現(xiàn)電阻值自動調(diào)整、試驗開關(guān)短路試驗、系統(tǒng)電流電壓自動測量并記錄、試驗報告生成等功能。該系統(tǒng)已正式投入運行，實際試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有智能化、模塊化、測試準(zhǔn)確等優(yōu)點，達(dá)到了設(shè)計要求。