基于混合型限流熔斷器的船舶直流電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)研究

吳大立 徐正喜 潘德華 羅偉 姜波

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

0 引言

近年來，隨著船舶電氣化程度的提高、船舶直流電力系統(tǒng)的容量迅速增大，短路電流可達(dá)上百 kA級(jí)，傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器的極限分?jǐn)嗄芰Α⒃O(shè)備體積等主要技術(shù)指標(biāo)難以滿足系統(tǒng)的要求，為了解決系統(tǒng)的保護(hù)問題，一種集負(fù)荷開關(guān)與混合型限流熔斷器于一體的組合式開關(guān)在船舶直流電力系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，該組合式開關(guān)在正常負(fù)載狀態(tài)下由負(fù)荷開關(guān)完成電路的分合，而在短路狀態(tài)下則由混合型限流熔斷器實(shí)施分?jǐn)唷Ｔ摻M合式開關(guān)兼有設(shè)備體積小及預(yù)期短路分?jǐn)嗄芰Ω叩奶攸c(diǎn)，可較好適用于船舶直流電力系統(tǒng)的直流負(fù)載支路。一直以來，由于船舶直流電力系統(tǒng)電纜距離較短，線路末端短路電流與首端短路電流幾乎相同，選擇性保護(hù)電流原則難以應(yīng)用而只能按時(shí)間原則整定，這樣保證了保護(hù)選擇性，卻一定程度犧牲了保護(hù)的速動(dòng)性[1～3]。但在直流負(fù)載支路引入混合型限流熔斷器后，其切除故障速度較傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器快，并具有很強(qiáng)的短路限流能力，這樣使得混合型限流熔斷器前后的短路電流呈現(xiàn)明顯差異，為實(shí)現(xiàn)上下級(jí)保護(hù)選擇性配合的電流原則創(chuàng)造了有利條件，從而可提高上級(jí)保護(hù)的速動(dòng)性，本文對(duì)混合型限流熔斷器對(duì)船舶直流電力系統(tǒng)保護(hù)的影響展開研究。

1 混合型限流熔斷器基本工作原理[4~6]

混合型限流熔斷器主要包括電弧觸發(fā)器，載流隔離器和快速熔斷器三個(gè)部分。其原理框圖如圖1所示：

圖1 混合型限流熔斷器原理框圖

混合型限流熔斷器的基本工作原理如下：

1) 電弧觸發(fā)器采用一個(gè)單斷口短熔體的結(jié)構(gòu)。由于載流隔離器內(nèi)阻遠(yuǎn)小于快速熔斷器的內(nèi)阻，正常負(fù)荷狀態(tài)下，負(fù)荷電流主要流過電弧觸發(fā)器和載流隔離器。發(fā)生短路時(shí)，電弧觸發(fā)器內(nèi)的熔體在短路電流下迅速熔斷起弧，產(chǎn)生能觸發(fā)載流隔離器的弧壓，該過程時(shí)間一般不超過 5 ms，短路電流上升率越大，該時(shí)間越短。

2) 載流隔離器為一爆炸活塞式結(jié)構(gòu)。內(nèi)置炸藥被電弧觸發(fā)器產(chǎn)生的弧壓觸發(fā)后爆炸，推動(dòng)活塞撞擊載流隔離器中的銅橋連接體，銅橋連接體最薄弱部位被剪切后載流隔離器開斷，該過程時(shí)間約為 100～150 μs。

3) 快速熔斷器為一小額定電流的熔體，載流隔離器開斷后，短路電流被轉(zhuǎn)移至快速熔斷器，其迅速完成能量的吸收及滅弧，該過程時(shí)間一般不超過3ms。

2 混合型限流熔斷器短路限流仿真

2.1 仿真建模

某簡(jiǎn)化的船舶直流電力系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 船舶直流電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該電力系統(tǒng)采用蓄電池組供電，直流電能經(jīng)逆變器或斬波器進(jìn)行變換后給供給負(fù)載，蓄電池組保護(hù)開關(guān) Q1采用框架式斷路器，配置有瞬時(shí)保護(hù)、短延時(shí)保護(hù)及長延時(shí)保護(hù)。直流負(fù)載支路(逆變器或斬波器)的短路保護(hù)由混合型限流熔斷器(CLF1、CLF2)完成。蓄電池組主要參數(shù)為：電壓：DC800～1000 V；內(nèi)電阻：38 mΩ；內(nèi)電感：260 μH；支路電纜電阻：2 mΩ；支路電纜電感：15 μH。

為了驗(yàn)證混合型限流熔斷器的短路限流特性，確定其短路限流值，本文利用 MATLAB/SIMULINK建立了含混合型限流熔斷器的直流電力系統(tǒng)短路仿真模型，如圖3所示。

圖3 直流電力系統(tǒng)短路仿真模型

圖3仿真模型中，正常運(yùn)行時(shí)開關(guān)TE與FA閉合，電流主要流過開關(guān) TE支路。系統(tǒng)發(fā)生短路故障，當(dāng)TES模塊中計(jì)算的I2t值超過電弧觸發(fā)器的弧前 I2t值(取為 260 kA2s)，經(jīng) 150 μs（載流隔離器開斷時(shí)間）后觸發(fā)開關(guān) TE斷開，短路電流轉(zhuǎn)移至開關(guān)FA支路，當(dāng)FAS模塊中計(jì)算的I2t值超過快速熔斷器的弧前I2t值(取為150 kA2s)觸發(fā)開關(guān) FA斷開完成整個(gè)混合型限流熔斷器分?jǐn)喽搪冯娏鬟^程的模擬。

2.2 仿真結(jié)果

圖4 電壓1000 V時(shí)短路電流波形

當(dāng)蓄電池組電壓為1000 V時(shí)，直流負(fù)載支路短路(如圖2中的f1點(diǎn)，以下同)蓄電池組提供的短路電流波形如圖4所示。短路分?jǐn)鄷r(shí)間7 ms，短路限流值12.5 kA。

當(dāng)蓄電池組電壓為800 V時(shí)，直流負(fù)載支路短路蓄電池組提供的短路電流波形如圖5所示。短路分?jǐn)鄷r(shí)間8.3 ms，短路限流值11.5 kA。

3 電力系統(tǒng)保護(hù)性能分析

3.1 傳統(tǒng)保護(hù)性能分析

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)容易計(jì)算，直流負(fù)載支路短路時(shí)，最大運(yùn)行工況下，蓄電池電壓為1000 V時(shí)，穩(wěn)態(tài)短路電流值為25 kA，時(shí)間常數(shù)約為7 ms。最小運(yùn)行工況下，蓄電池電壓為800 V時(shí)，穩(wěn)態(tài)短路電流值為20 kA，時(shí)間常數(shù)約為7 ms。

圖5 電壓800 V時(shí)短路電流波形

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)下端直流負(fù)載支路一般采用機(jī)械式斷路器，沒有短路限流能力，根據(jù)電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)的電流配合原則，蓄電池組保護(hù)開關(guān)Q1瞬時(shí)保護(hù)電流定值應(yīng)躲過最大運(yùn)行工況下直流負(fù)載支路的穩(wěn)態(tài)短路電流值，考慮到瞬時(shí)保護(hù)20%的整定誤差，即瞬時(shí)保護(hù)電流定值需整定為1.2×25=30 kA。以下進(jìn)一步校驗(yàn)蓄電池組保護(hù)開關(guān)瞬時(shí)保護(hù)的靈敏度，瞬時(shí)保護(hù)靈敏系數(shù)定義為：

當(dāng)蓄電池組支路電纜首端短路(如圖 2中的f3點(diǎn))時(shí)，最小工況下，蓄電池組電壓為800V時(shí)，最小穩(wěn)態(tài)短路電流經(jīng)計(jì)算為21kA，因此瞬時(shí)保護(hù)靈敏系數(shù)：

顯然，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)按電流原則整定的瞬時(shí)保護(hù)在最小運(yùn)行工況下沒有保護(hù)區(qū)。實(shí)際上，經(jīng)計(jì)算，最大運(yùn)行工況下，蓄電池組電壓為1000V時(shí)的瞬時(shí)保護(hù)靈敏系數(shù)也僅為0.88，瞬時(shí)保護(hù)也起不到保護(hù)作用。對(duì)蓄電池組支路的短路保護(hù)要依賴于按時(shí)間原則整定的短延時(shí)保護(hù)，降低了保護(hù)的速動(dòng)性，增加了短路對(duì)蓄電池組沖擊的時(shí)間。

3.2 實(shí)際保護(hù)性能分析

實(shí)際電力系統(tǒng)直流負(fù)載支路采用了混合型限流熔斷器，其切除故障速度快，有很強(qiáng)的短路限流作用。根據(jù)前文仿真結(jié)果，當(dāng)直流負(fù)載支路短路時(shí)混合型限流熔斷器的最大短路限流值不超過12.5 kA，蓄電池組保護(hù)開關(guān)Q1瞬時(shí)保護(hù)與混合型限流熔斷器實(shí)現(xiàn)選擇性配合時(shí)只需按該最大短路限流值考慮即可，仍然考慮瞬時(shí)保護(hù)20%的整定誤差，則瞬時(shí)保護(hù)電流定值整定為1.2×12.5=15 kA。這樣，即使在最小運(yùn)行工況下，蓄電池電壓為800 V時(shí)，蓄電池組支路電纜末端短路(如圖2中的f2點(diǎn))時(shí)穩(wěn)態(tài)短路電流值20 kA也大于瞬時(shí)保護(hù)定值，瞬時(shí)保護(hù)保護(hù)范圍可達(dá)電纜全長包括直流主配電板，在確保保護(hù)選擇性的同時(shí)，有效提高了保護(hù)的速動(dòng)性，為解決船舶電力系統(tǒng)存在的保護(hù)難題提供了一條有效途徑。

4 結(jié)語

本文對(duì)基于混合型限流熔斷器的船舶直流電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，基本結(jié)論如下：

1)傳統(tǒng)的未引入限流器件的船舶直流電力系統(tǒng)，由于上下級(jí)短路電流差異不大，上級(jí)保護(hù)只能按時(shí)間原則整定，上級(jí)保護(hù)的速動(dòng)性難以保證。

2)混合型限流熔斷器由于動(dòng)作速度快，短路限流能力強(qiáng)，使得選擇性保護(hù)的電流原則得以實(shí)現(xiàn)，為解決船舶直流電力系統(tǒng)保護(hù)快速性與選擇性的矛盾提供了有效的技術(shù)途徑，提高了船舶電力系統(tǒng)的安全水平。

3)由于混合型限流熔斷器在船舶直流電力系統(tǒng)中的應(yīng)用尚不多見，因此，其對(duì)電力系統(tǒng)保護(hù)的影響還需通過相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行深入驗(yàn)證。

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