新型限流斷路器在艦船電力系統中應用分析

丁振林 徐國順

（1.海軍裝備部，北京 100000； 2.海軍工程大學電氣工程系，武漢 430033）

1 引言

隨著現代艦船電氣化程度的快速提高，艦船電網的容量不斷增大，對其保護設備的要求越來越高。傳統的框架式斷路器由于其動作速度慢、固有動作時間較長，往往需要幾十毫秒才能分斷電路，不僅不能對短路電流起有效的抑制作用，而且短路電流峰值會超過斷路器的極限分斷能力，使斷路器無法分斷，給系統帶來極大的危害[1]。為了解決這個問題，通常采用能夠快速動作且具有限流能力的斷路器作為現代大容量艦船電網的保護設備。

目前高速限流型斷路器主要有無弧型混合式高速限流斷路器和電弧型高速限流型斷路器。混合式高速限流斷路器是在高速機械開關支路上并聯大功率的電力電子器件，通過控制電力電子器件的通斷來實現機械開關支路上的零電流關斷。目前國內外已開展了大量針對混合式高速限流斷路器的相關研究[2-5]。本文研制出直流320 V/3000 A的混合式高速限流斷路器樣機并完成了短路分斷的驗證實驗，實驗結果表明所研制的混合式高速限流斷路器具有高限流分斷能力，能夠滿足現代艦船大容量電網對保護設備的要求。

2 限流斷路器原理及試驗

直流限流斷路器主要由高速觸頭操動機構、固態開關電路、分合閘線圈驅動電路，檢測控制電路四部分組成，如圖1所示。正常運行時，主回路電流從高速觸頭操動機構上流過，觸頭接觸電阻為微歐級，裝置功耗極小；發生短路故障時，控制電路給分閘線圈信號，高速觸頭機構中的觸頭快速分離，同時使固態開關中導通，電流從高速觸頭操動機構上自然轉換至固態開關上，并由固態開關進行分斷，由于固態開關的存在，觸頭操動機構是在零電壓條件下無弧分斷的。當直流限流斷路器分斷后，它能智能判斷短路故障是否解除，如果故障已解除，限流器能在幾十毫秒內快速重合閘，恢復系統供電。該斷路器的優點在于額定通流量大、正常運行損耗低、無弧分斷、分斷速度快、智能重合閘。

圖1 直流限流斷路器

CH1為電流波形（4000 A/格），

CH4為電壓波形（500 V/格）

進行了脈沖電源的直流限流斷路器樣機短路限流試驗，圖2為樣機的換流分斷試驗波形。控制策略是當短路電流到達5 kA時，限流斷路器開始限流分斷，短路電流峰值被限制到16.8 kA，開關兩端產生的過電壓被限制到900 V。從試驗波形可以計算出短路電流上升率為21 A/μs，主回路電流到零時刻電容上剩余電壓為320 V。

3 應用案例

3.1 電源內部短路保護

新型直流限流斷路器在艦船電力系統中的一種應用方案如圖3所示，直流限流斷路器安裝于每臺充電發電機出口端，可以對系統內部和外部短路故障進行保護。當系統發生內部短路故障時（圖3），對應支路的限流斷路器在t1時間里（1～2 ms）快速分斷限流，保證了電網的電能品質，而常規斷路器分斷時間大于30 ms（t3），且分斷時電流巨大，如圖4所示。

圖3 新型直流限流斷路器應用方案

圖4 內部短路故障時，有無限流斷路器對比

3.2 電網短路限流及快速恢復

當系統發生外部短路故障時（圖3），無限流斷路器時短路點的預期短路電流為，isc=i電池+i充發×2限流斷路器可將兩個充發支路的電流限流分斷，限流后的短路電流isc=i電池，故障支路開關S經過動作延時后在t2時刻分斷，到t3時刻限流斷路器重新合閘，使系統恢復供電，如圖5所示。

圖5 外部短路故障時，有無限流斷路器對比

4 結論

針對艦船電力系統，開展了直流限流斷路器的相關研究，研制出直流320 V/3000 A的高速限流斷路器樣機并進行了短路分斷的驗證實驗。對艦船系統安裝直流限流斷路器方式進行了分析，結果表明該新型直流限流斷路器能夠滿足現代艦船大容量電網對保護設備的要求。

[1]莊勁武, 張曉鋒, 楊鋒, 等. 船舶直流電網短路限流裝置的設計與分析. 中國電機工程學報. 2005, 25(20):26-30.

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[3]王晨, 莊勁武, 張曉鋒, 等. 混合型限流斷路器在高短路電流上升率時換流試驗分析. 電力系統自動化.2009, 33(16): 65-69.

[4]Steurer M，Ferohlich K，Holaus W，et al.A Novel Hybrid Current-limmiting Circuit Breaker for Medium Voltage: Principle and Test Results[J].. IEEE Trans on Power Delivery, 2003, 14(5): 778-781.

[5]Jean-Marc Meyer，Alfred Rufer.A DC hybrid circuit breaker with ultra-fast contact opening and integrated gate-commutated thyristors (IGCTs).IEEE Trans. on Power Delivery，2006，21（2）：646-651.