直流電力系統短路限流裝置研究

顧雪晨王 晨

（1.海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室 上海200011；

2.海軍工程大學 電氣與信息工程學院 武漢 430033）

0 引 言

隨著艦船直流電力系統容量的不斷加大，一旦發生電流短路，巨大的電動力和熱沖擊將超過設備承受極限，導致設備損壞，甚至引發火災。國外大型艦艇電力系統廣泛采用故障電流限制技術，歐美海軍航母及潛艇皆采用了故障電流限制器。國內現有開關難以滿足日益增長的短路電流分斷的需要，新型短路限流技術成為艦船電力系統研究的熱點研究方向［1-3］。

1 快速熔斷器工作原理及新品研究背景

快速熔斷器利用熔體在短路電流下熔斷來分斷電路。當額定電流較小時，其熔斷時間較短，能夠有效限制短路電流峰值［4-5］。但是隨著額定電流增大至千安（kA）級，為了滿足溫升要求，其熔體截面積必須增大，從而導致熔斷時間迅速上升，限流性能變差。這樣不僅不能有效抑制短路電流，使系統選擇性保護失效，而且由于熔斷時間過長，系統長時間失電，易導致敏感設備保護停機［6］。

為此，急需研究一種分斷速度快、限流能力強的艦船直流電力系統限流保護裝置，以解決短路保護問題。新型限流熔斷器研究正是在這一背景下提出來的。本文介紹了兩種新型限流熔斷器的結構、工作原理和特性。

2 新型限流裝置原理及特性

混合型限流熔斷器，將爆炸高速開斷技術與限流熔斷器結合的一種限流保護裝置，是目前最廣泛的限流保護技術。從其工作原理區分，可分為主動觸發式混合型限流熔斷器和被動觸發式混合型限流熔斷器，以及將兩者相結合的智能化限流熔斷器。本文針對艦船直流電力系統的保護需求，研制了兩種限流熔斷器保護裝置。

2.1 主動觸發型限流熔斷器

2.1.1 組成及原理

主動觸發型限流熔斷器原理圖如圖1所示，包括電流傳感器、檢測及判斷電路、觸發系統、爆炸橋及快速熔斷器等。正常狀態下，可爆破開斷的爆炸橋的電阻是微歐級，選用快速熔斷器的電阻是毫歐級，正常通流由爆炸橋承擔。發生短路故障時，裝置檢測電流方向和大小及其上升率，判斷后給出點火脈沖，引爆橋體中雷管及炸藥，將其爆斷成隔離狀態。電流瞬間轉移至快速熔斷器，由快速熔斷器完成限流開斷。

圖1 主動觸發型限流熔斷器原理圖和直流限流裝置

首先建立爆炸橋的溫升模型和非線性動力學模型。我們分析了銅橋尺寸、活塞行程、汽缸內徑及裝藥量等因素對爆炸橋溫升及分斷特性的影響，得出了這些參數的優化設計原則，在此基礎上所研制的樣機額定功耗約13 W，端子溫升為35 K。然后建立爆炸橋與快熔之間換流過程的等效模型，分析了爆炸橋斷口弧壓，換流初始電流值及滅弧熔斷器支路電感和電阻對換流時間、換流期間燃弧能量的影響，并推導了計算公式。為研究爆炸橋在換流結束后的介質恢復過程，設計了等效試驗電路，對不同燃弧能量下三種開距的介質恢復特性進行試驗研究，并對試驗結果進行了擬合。最終得到了介質恢復強度的經驗公式，并通過整機的限流試驗對公式進行了初步驗證。

2.1.2 產品特性

主動觸發型限流熔斷器主要技術參數如下：

（1）額定電壓：DC 640 V。

（2） 額定電流：2 500 A。

（3）短路限流性能指標：預期100 kA時間常數4.17 ms，短路電流，最大峰值小于20 kA。根據系統實際需要，di/dt能夠在1～25 A/us范圍內可調。

（4）控制電源：DC 220 V（功耗不大于 500 W）。

（5）外形尺寸（長×寬×高）不超過 500 mm×400 mm×300 mm（單橋及控制器）。

環境適應性：滿足相關國軍標相關要求。

2.2 被動觸發型限流熔斷器

2.2.1 組成及原理

被動觸發型限流熔斷器（CLF）原理圖如圖2所示，包括電弧觸發器、載流隔離器和快速熔斷器。

圖2 被動觸發型限流熔斷器原理圖

正常工作時，工作電流主要由載流隔離器承擔，通態損耗低，通流能力強。發生短路時，電弧觸發器迅速熔斷建立起一個弧壓，由此觸發載流隔離器中的電雷管并引爆炸藥，在200 μs內分斷載流隔離器，電流轉移到快速熔斷器，快速熔斷器在1 ms內起弧完成限流分斷。

電弧觸發器在大電流場合下應用的關鍵技術問題即如何在滿足溫升要求的前提下盡可能提高熔體狹頸的載流密度。通過建立其熱電耦合模型分析得出：相對于壓接和釬焊方式而言，點焊方式電阻比較穩定，弧前特性較好，適用于大電流電弧觸發器的熔體與接線端子連接。通過對電弧觸發器熔體結構的優化設計，采用小孔徑、細狹頸和薄熔體結構，并盡量減小焊點的內邊距，能夠有效降低溫升，提高載流密度，從而縮短弧前時間，實現短路故障的快速檢測。

2.2.2 產品特性

目前已研發成功并實際應用的被動式混合型限流熔斷器（CLF）主要有CLF3D3和CLF12D12兩型產品，其具體特性指標如表1所示。

表1 被動式混合型限流熔斷器產品特性

為驗證裝置各項性能，進行溫升試驗和限流試驗。額定通流下整機功耗僅180 W，接線端子溫升56 K，裝藥處溫升20 K，滿足艦用環境需求。限流試驗中，當短路電流初始上升率為3 A/μs時，限流熔斷器的弧前時間為8 ms，分斷時過電壓為1.32 kV。當短路電流初始上升率為15 A/μs時，限流熔斷器的弧前時間為2.32 ms，分斷時過電壓為1.64 kV。

3 結 論

混合型限流熔斷器相對于普通限流熔斷器具有功率損耗低、限流能力強的優點，相對于采用電子控制的主動式混合型限流熔斷器而言，被動式混合型限流熔斷器因為無需外部電源、傳感器及電子控制單元，提高了可靠性且減小了體積。隨著容量的進一步增大，艦船電力系統勢必將向中壓邁進。本研究成果可供直流中壓系統混合型限流熔斷器研究提供技術參考。

［1］王晨，張曉鋒，莊勁武，等.新型混合式限流斷路器設計及其可靠性分析［J］.電力系統自動化，2008，32（12）：61-67.

［2］楊鋒，莊勁武，戴超，等.爆炸活塞式大電流高速開斷裝置的設計與分析［J］.電力自動化設備，2010，30（4）：109-114.

［3］戴超，莊勁武，楊鋒，等.大容量爆炸活塞式高速開斷分析與優化設計［J］.高電壓技術，2011，37（1）：221-226.

［4］金立軍，馬志瀛，徐黎明.高壓限流熔斷件弧前時間的數值分析與實驗研究［J］.中國電機工程學報，2001，19（11）：55-58.

［5］王子建，何俊佳，尹小根.高壓限流熔斷器熱電耦合瞬態溫度場的計算［J］.高壓電器，2006，42（6）：438-441.

［6］戴超，莊勁武，楊鋒，等.高壓混合型限流熔斷器用電弧觸發器弧前特性研究［J］.高電壓技術，2010，36（2）：350-355.