針對艦船直流綜合電力系統(tǒng)中低阻抗故障和電力電子設(shè)備的保護(hù)方案

王慶紅，陳松林

1 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

2 海軍裝備部，北京 100841

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，直流綜合電力系統(tǒng)已成為近年來不少海軍強(qiáng)國研究的重點(diǎn)。采用直流綜合電力系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)很多，如可使發(fā)電機(jī)的運(yùn)行頻率不受用電設(shè)備對頻率的嚴(yán)格限制，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)和整流設(shè)備成本、體積和重量的最佳化、集成化［1］；能徹底擺脫發(fā)電機(jī)與電動機(jī)之間的轉(zhuǎn)速耦合；通過保護(hù)和重構(gòu)方案的合理設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)電源設(shè)備發(fā)生故障時(shí)不間斷轉(zhuǎn)換電源。

綜合電力系統(tǒng)的系統(tǒng)容量大，推進(jìn)電機(jī)功率等級高，一般須選用中壓電制。對于直流綜合電力系統(tǒng)，其發(fā)電設(shè)備應(yīng)為直流電源，目前的研究工作多選擇直流整流發(fā)電機(jī)或燃料電池。12相交流整流發(fā)電機(jī)是將12相交流發(fā)電機(jī)和12相整流裝置、勵磁系統(tǒng)及閉式循環(huán)的海水冷卻器集成一體，成為綜合電力系統(tǒng)中一種成熟的發(fā)電模塊［1］。電力電子器件為整流裝置的核心器件。同時(shí)，直流綜合電力系統(tǒng)中電壓的轉(zhuǎn)換，以及交流用電設(shè)備端的逆變裝置均需采用電力電子器件。可見，艦船直流綜合電力系統(tǒng)從發(fā)電、變電和配電等各個環(huán)節(jié)均采用了電力電子設(shè)備，使整個系統(tǒng)的構(gòu)成主體較傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)生了較大的改變，電力傳輸特性與以往有所不同。

因此，分析直流綜合電力系統(tǒng)的故障，不僅需要考慮常規(guī)直流系統(tǒng)的熱效應(yīng)故障（如過載和低阻抗故障），還需要考慮電力電子設(shè)備的保護(hù)需求［2］。

1 艦船直流綜合電力系統(tǒng)保護(hù)需求

當(dāng)直流綜合電力系統(tǒng)發(fā)生低阻抗故障時(shí)，保護(hù)設(shè)計(jì)首先須分析、計(jì)算短路電流。

由于整流裝置的非線性，現(xiàn)有計(jì)算方法的誤差較大，因此，國內(nèi)、外大多通過反復(fù)破壞性試驗(yàn)來確定其最大短路電流和沖擊轉(zhuǎn)矩［1］。

若采用12相交流整流發(fā)電機(jī)作為直流電源，12相整流裝置直流側(cè)突然短路，則對交流側(cè)而言，可等效12相交流繞組突然短路，從而求出3相整流橋交流側(cè)各相短路電流的表達(dá)式；再考慮整流元件的單向?qū)щ娦裕傻玫礁?相整流橋直流側(cè)電流Idci（i=1，2，3，4，為4套繞組的序號）的表達(dá)式，最后，將它們按一定的相位關(guān)系合成，便可得到直流側(cè)短路電流的峰值［1］。

12相交流整流發(fā)電機(jī)的電樞繞組由4套互移15°、Y聯(lián)接的三相繞組構(gòu)成。以a相為例，其交流側(cè)短路電流表達(dá)式［3］為

式中：u0m為空載相電壓幅值；θ0為短路起始角；xd，和分別為直軸的暫態(tài)電抗、瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗；xq，和分別為交軸的暫態(tài)電抗、瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗；Ta，和分別為直流分量時(shí)間常數(shù)、瞬態(tài)分量時(shí)間常數(shù)和超瞬態(tài)分量時(shí)間常數(shù)。

可令u0m=4000 V，=0.39 Ω ，則

直流側(cè)電流為4個三相整流橋直流側(cè)電流之和，即

可選 Idci=-Iai，則有

綜合式（3）和式（6），可得

根據(jù)式（3）和式（7），基于12相交流整流發(fā)電機(jī)，將產(chǎn)生最大約20 kA的交流短路電流和近80 kA的直流短路電流。

目前，船用交流斷路器的分?jǐn)嚯娏饕呀?jīng)達(dá)到100 kA以上，能夠滿足船用直流綜合電力系統(tǒng)交流側(cè)的保護(hù)需求；而直流斷路器的技術(shù)和工藝較交流斷路器的復(fù)雜，其極限分?jǐn)嚯娏鞯陀诮涣鲾嗦菲鳌Ｖ绷鲾嗦菲魇侵绷飨到y(tǒng)保護(hù)長期以來的一大難題。

電力電子設(shè)備由電力電子器件、主電回路和控制回路組成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）能夠滿足高電壓、大電流的應(yīng)用需求，從而得以廣泛應(yīng)用［4］。

本文在分析電力電子設(shè)備的保護(hù)需求時(shí)，主要是以IGBT器件的特性為基礎(chǔ)。由于電力電子器件的過載能力較低，因此設(shè)備必須具備限流功能，以保護(hù)設(shè)備在線路發(fā)生短路時(shí)不被損壞。一般大容量IGBT的過載能力通常只能在10 μs以內(nèi)承受5～6倍的額定電流［5］，因此，線路上的保護(hù)需盡可能快速動作，特別是當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，需能在10 μs內(nèi)迅速隔離故障。通常，電子保護(hù)電路可以作為第一保護(hù)措施，當(dāng)檢測到過電流超過電力保護(hù)電流的整定電流值時(shí)，將封鎖驅(qū)動信號，關(guān)斷開關(guān)器件，從而切斷過流故障［3］。

電力電子器件在工作中有開通、通態(tài)、關(guān)斷和斷態(tài)4種工作狀態(tài)。在開通和關(guān)斷狀態(tài)下，過大的di/dt和du/dt可能會導(dǎo)致電力電子器件損壞。因此，在電力電子設(shè)備中須設(shè)置di/dt和du/dt抑制電路［4］。

電力電子設(shè)備中的IGBT及其控制電路實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)較為方便。采用模塊化設(shè)計(jì)并在設(shè)備中設(shè)置一定數(shù)量的冗余模塊后，當(dāng)某個或數(shù)個IGBT模塊發(fā)生故障不能自我保護(hù)時(shí)，系統(tǒng)仍可正常工作，損壞的模塊可以在下次檢修時(shí)更換［6］。此時(shí)，還需考慮模塊之間的均流與均壓問題［4］。

2 艦船直流綜合電力系統(tǒng)保護(hù)方案

2.1 直流綜合電力系統(tǒng)的保護(hù)

根據(jù)前面對直流綜合電力系統(tǒng)故障的分析，直流主網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)需考慮以下方面：

1）電力電子設(shè)備內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì)，并設(shè)置冗余模塊。

2）電力電子設(shè)備內(nèi)部串、并聯(lián)模塊間需考慮均壓和均流。

3）直流綜合電力系統(tǒng)中各級電力電子設(shè)備的內(nèi)部模塊應(yīng)能自動探測并隔離故障［2］，并對du/dt和di/dt進(jìn)行控制，同時(shí)應(yīng)具有限流功能。

4）網(wǎng)絡(luò)中各級電力電子設(shè)備中的參數(shù)設(shè)置需從系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)性的角度出發(fā)，綜合分析，合理配置。

5）斷路器等保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)置需充分考慮電力電子器件的參數(shù)選擇，從而保證系統(tǒng)保護(hù)的選擇性［7］。

6）系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮具備系統(tǒng)速動（微秒級）保護(hù)功能以防止事故擴(kuò)大。

7）系統(tǒng)的每一保護(hù)裝置均應(yīng)能承受和斷開在其安裝點(diǎn)上可能產(chǎn)生的最大短路電流，需要足夠的分?jǐn)嗄芰Α?/p>

8）電路應(yīng)能承受由于保護(hù)裝置的延時(shí)動作而產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)。

9）自動探測電路須嚴(yán)格劃清系統(tǒng)允許的動態(tài)值與不允許的故障值之間的界限。在系統(tǒng)正常工作或設(shè)備允許的短時(shí)過載范圍內(nèi)，保護(hù)裝置不應(yīng)發(fā)生誤動作；當(dāng)故障參數(shù)大于設(shè)定的臨界值時(shí)，保護(hù)器件應(yīng)能有效動作。目前，有研究采用電流變化率和幅值相結(jié)合的檢測整定方法［8］，較為有效。

10）為減小直流斷路器分?jǐn)嚯娏鞯膲毫Γ煽紤]設(shè)置限流器［9］。

11）根據(jù)系統(tǒng)保護(hù)的要求，以及電力電子設(shè)備所在的不同環(huán)節(jié)，合理選擇其上級保護(hù)器械的時(shí)限特性，如反時(shí)限特性、定時(shí)限特性、綜合時(shí)限特性等。

綜上所述，由于直流綜合電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)的保護(hù)功能能夠分布于各個設(shè)備的模塊中，模塊內(nèi)部參數(shù)設(shè)置也因此對系統(tǒng)的保護(hù)產(chǎn)生直接影響。

2.2 交流配電網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)

交流電力系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)已比較成熟，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也較為完善。基于船用直流綜合電力系統(tǒng)的交流配電網(wǎng)絡(luò)可參考相應(yīng)的交流系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)。具體可參考相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，如GB 10963.2-2003斷路器標(biāo)準(zhǔn)、GB 10963.1-2005過流保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等。

3 系統(tǒng)保護(hù)器件

由前文分析可知，針對綜合直流電力系統(tǒng)的低阻抗故障和電力電子設(shè)備的系統(tǒng)保護(hù)器件主要包括直流斷路器和限流器，且對直流斷路器來講，具有高短路分?jǐn)嗄芰臀⒚爰壦賱拥囊蟆?/p>

3.1 直流斷路器

交流斷路器可通過過零開斷等方式減少甚至是避免電弧對保護(hù)器件的沖擊，而直流斷路器則必須具有在電流和電壓較大時(shí)斷開電路的能力，從而增加了其設(shè)計(jì)和選型的難度。

目前，較常用的直流斷路器多為機(jī)械式斷路器（MCB），即空氣斷路器。直流空氣斷路器的最大通斷能力較小，而若提高斷路器的設(shè)計(jì)電壓等級，其最大電流通斷能力將受負(fù)面影響，反之亦然。目前，國內(nèi)的空氣斷路器一般只能做到1000 V/100 kA，電壓等級較低；國外雖然可以做到4000 V/40 kA，電壓等級基本滿足直流區(qū)域配電綜合電力系統(tǒng)的要求，但電流分?jǐn)嗄芰﹄x式（7）所示80 kA的要求還相差甚遠(yuǎn)［10］。

近年來開發(fā)應(yīng)用的固態(tài)斷路器具有一些優(yōu)勢，如分段電流快、保護(hù)閾值低、電流變化率可檢測、噪音低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用省，以及沒有斷路器拉弧等［11-12］，其理論動作反應(yīng)時(shí)間和抗干擾能力均優(yōu)于機(jī)械式斷路器。同時(shí)，采用功率器件作為核心部件有利于實(shí)現(xiàn)雙向可控的開關(guān)保護(hù)［12-13］。

另外，將機(jī)械式斷路器和電力電子開關(guān)固態(tài)斷路器（SSCB）組合成混合式斷路器（HCB）可使兩者的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，從而構(gòu)成較為理想的新型斷路器［7］。

3.2 直流限流器

限流器被經(jīng)常用于交流電網(wǎng)中。當(dāng)多臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作的大電網(wǎng)短路時(shí)，可采用限流熔斷器將大電網(wǎng)分成若干個小電網(wǎng)，從而將機(jī)組分割，減小短路電流。

系統(tǒng)短路時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的能量傳輸會造成系統(tǒng)電流瞬時(shí)升高。在實(shí)船上這種能量傳輸十分復(fù)雜，致使保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。目前，還沒有直流限流器的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)研究成果，采用限流技術(shù)對造成瞬態(tài)波動的電流進(jìn)行限制，并應(yīng)用防浪涌裝置，對超壓保護(hù)均具有積極的作用［14-15］。

直流綜合電力系統(tǒng)主回路上的巨大短路電流很可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。在適當(dāng)回路配置限流器可減小主回路的短路電流，保證系統(tǒng)安全。高溫超導(dǎo)限流器將成為未來電力系統(tǒng)重要的保護(hù)器件之一［16-17］。

4 結(jié) 語

本文針對艦船直流綜合電力系統(tǒng)，從故障特點(diǎn)出發(fā)，對短路電流保護(hù)需求、系統(tǒng)保護(hù)方案和保護(hù)器件等多個方面進(jìn)行了分析。直流綜合電力系統(tǒng)的直流網(wǎng)絡(luò)短路電流很大，且無法進(jìn)行過零保護(hù)，從而增加了直流保護(hù)器件的設(shè)計(jì)和制造難度，設(shè)計(jì)開發(fā)新型的直流保護(hù)器件，提高直流電路的極限分?jǐn)嗄芰κ侵绷骶C合電力系統(tǒng)發(fā)展的前提。

由于系統(tǒng)的保護(hù)功能與電力電子設(shè)備內(nèi)部模塊的參數(shù)設(shè)置密切相關(guān)，因而全系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)將成為直流綜合電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

可見，直流綜合電力保護(hù)系統(tǒng)既需要從系統(tǒng)方面繼續(xù)探索和完善保護(hù)方案，還急切需要提高保護(hù)器件的極限分?jǐn)嗄芰Γ_發(fā)高級、新型的直流斷路器，以滿足系統(tǒng)保護(hù)的需求。

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