基于LC振蕩回路的整流發電機短路電流模擬

吳大立 潘德華 黃超 徐正喜

(武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064)

1 引言

在以整流發電機[1-3]為供電電源的船舶直流電力系統中，為了檢驗斷路器、熔斷器等保護裝置的分斷能力或保護特性，需要具備整流發電機短路電流模擬的條件。一般，模擬短路電流的主要方法有：網絡試驗法，短路發電機回路試驗法及 LC振蕩回路法[4-6]等，比較而言，LC振蕩回路法具有裝置設備簡單、投資費用較少、操作方便、使用靈活等優點，雖然只能做單相試驗，卻能滿足整流發電機短路電流模擬的需要。

2 LC振蕩回路基本原理分析

LC振蕩回路產生短路電流的基本原理是：將電容 C充電后，經過電感 L放電，產生一定頻率的振蕩電流。將被測試開關串聯在放電回路中，只要適當地選擇電容 C和電感 L值，即可利用LC諧振原理得到所需規模的短路電流。

圖1 LC振蕩回路原理圖

如圖1所示，開關S斷開時，已知電容被充電至0U 。開關S閉合后，電容C放電，則電路可用微分方程描述為：

從式（3）與式（4）可知，短路電流峰值的大小與電容初始電壓、電感及電容有關；電流的峰值時間主要取決于電感和電容的乘積；電感則決定了初始電流上升率。

3 整流發電機短路電流模擬

3.1 基本要求

某以整流發電機為供電電源的船舶直流電力系統結構簡圖如圖2所示。

圖2 船舶直流電力系統結構簡圖

該電力系統中，直流負載支路（逆變器、斬波器）采用短路限流型熔斷器[7]作為直流側保護器件，為了驗證限流型熔斷器的保護性能，需模擬整流發電機的短路電流特性，由于限流型熔斷器的動作速度很快(ms級)，一般在短路電流上升階段即可切除故障，因此模擬時主要考慮短路電流升至電流峰值的這一初始階段。

3.2 參數計算

3.2.1周期及頻率計算

根據實際短路試驗結果，直流負載支路短路時，整流發電機提供短路電流峰值 Ipk約為 22 kA，峰值時間tpk約為4 ms。利用LC振蕩回路模擬該短路電流時可使得其產生的衰減正弦振蕩電流在第一個1/4周期時達到峰值，因此：

周期T=16 ms，

角頻率 ω = 2π /T =392.7rad/s。

3.2.2 電感計算

取電容初始充電電壓U0為1000 V，根據式(3)，在電流峰值Ipk處有如下關系：

可得：

取：L=100 μH。

3.2.3 電容計算

取：C=60 mF。

(4)電阻計算

由于回路電阻主要取決于電感電阻，而實際設計100 μH空心電感電阻約2～3 mΩ。

取： R = 3 mΩ。

3.3 仿真驗證

振蕩回路參數計算完成后，利用 MATLAB建立仿真模型對參數選擇的正確予以驗證，仿真結果如圖3所示。

圖3 短路電流模擬仿真結果

圖3給出了模擬短路電流約在 4ms達到峰值 23 kA，表明 LC振蕩回路主要參數計算正確，其產生的整流發電機模擬短路電流與實際短路電流在初始階段特性基本一致，可較好滿足電力系統保護特別是快速性保護試驗的需求。

4 結語

利用LC振蕩回路模擬整流發電機短路電流并開展船舶直流電力系統保護試驗，主要有如下特點：

1) 通過參數的合理設計或選取，LC振蕩回路能產生與整流發電機初始階段特性基本一致的短路電流。

2) 利用 LC振蕩回路進行船舶直流電力短路保護試驗，具有投資少，試驗過程短及可多次重復的優點。

3) 基于 LC振蕩回路原理研制的船舶直流電力系統保護試驗臺架目前已完成初步測試工作，其參數調整靈活，最大可實現50 kA的短路電流模擬，將為船舶直流電力系統保護技術的研究提供重要的試驗平臺支撐。

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