新型混合型限流熔斷器在艦船綜合電力系統中的應用分析

宋波

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新型混合型限流熔斷器在艦船綜合電力系統中的應用分析

宋波

(海軍駐大連 426 廠軍事代表室，遼寧 大連 116000)

采用中壓直流電網輸配電是艦船綜合電力系統的重點發展方向，但中壓直流開關的分斷能力不足成為中壓直流電網發展的一個重要制約。本文提出在合理位置加裝電弧觸發式混合型限流熔斷器（ATH-CLF）來限制中壓直流電網短路電流的方法來解決這一問題。首先以IEEE Std 1709-2010推薦的一種艦船中壓直流電網為例，建立了該電網的EMTP仿真模型和ATH-CLF的EMTP仿真模型，計算了有無ATH-CLF以及ATH-CLF安裝在不同位置時各典型位置發生短路的電網短路電流及母線電壓跌落。分析表明，合理的ATH-CLF加裝方案可有效降低短路電流水平，并可使非故障區域的母線電壓跌落在10 ms之內恢復。

艦船綜合電力系統 混合型限流熔斷器 中壓直流電網 EMTP

0 引言

艦船綜合電力系統是艦船動力技術的又一次深刻變革，近年來相關研究呈明顯的加速趨勢，英國CVF航母、45型驅逐艦，美國DDG1000型驅逐艦都已相繼采用綜合電力系統，我國也正積極開展相關研究[1]。艦船綜合電力系統的重點發展方向是在發電及輸配電網采用中壓直流，通過電力電子裝置轉換為低壓交流或低壓直流供給負載用電，這種方式具有諸多優點而獲得了廣泛認可[2,3]。然而由于直流短路電流沒有自然過零點，直流開關的短路分斷比交流開關困難的多，直流開關的分斷能力有限，因此中壓直流電力系統的發展受到較大的限制。故障限流器有望為這一問題提供良好的解決方案[4]，在眾多的故障限流器中，電弧觸發式混合型限流熔斷器（arc-triggered hybrid current limiting fuse，ATH-CLF）以其可靠性高、體積小、成本低等優點，有可能首先獲得應用[5,6]。

本文以IEEE Std 1709-2010標準[7]推薦的一種艦船中壓直流電力系統為例，建立了EMTP仿真模型，分析了幾種典型短路情況下的系統短路電流。然后建立了ATH-CLF的仿真模塊嵌入整個電力系統，對比分析各種典型短路情況下ATH-CLF的限流效果，以確定ATH-CLF的安裝方案及參數整定值。

1 艦船中壓直流電網示例

1.1 IEEE艦船中壓直流電網

為了對發展迅速的艦船中壓直流電力系統進行規范，IEEE工業應用協會推出了艦船中壓直流電力系統的標準IEEE Std 1709-2010。其中推薦的一種艦船中壓直流電力系統主網絡拓撲如圖1（左），本文在此基礎上對電源和負載賦以合理的參數值構成一個簡化的計算網絡，如圖1（右）所示。

假設電網電壓為4 kV，簡化過程中，不考慮岸電供電的情況。應急電源采用蓄電池組，負載和電纜簡化為電感和電阻集總參數模型。圖中給出F1~F7共七處典型短路位置，分為三類。第一類，電源出口側短路，F1~F3；第二類，配電板短路，F4、F5；第三類，負載側短路，F6、F7。由于逆變裝置內部的電力電子器件作用，各類負載不會向短路點饋流。汽發、柴發和蓄電池全部投入且蓄電池充滿電的工況是短路電流最大的工況，因此本文對此工況進行分析。

1.2基于EMTP仿真模型的短路電流計算

基于EMTP軟件建立示例電網的仿真模型，對各種短路情況下各開關位置的短路電流及母線電壓跌落進行計算。設置各電源單獨出口側短路的短路電流分別為：汽發50 kA，蓄電池50 kA，柴發30 kA。

對各種短路情況進行仿真計算，得到流經各個開關的最大短路電流如表1。發現流經各開關的最大短路電流都較高，最大可達130 kA，對各個開關的分斷能力要求都很高。

圖1 IEEE協會推薦的艦船中壓直流電力系統及簡化賦值后的本文計算例子

表1 流經各個開關的最大短路電流

發生短路時，除了短路電流外，還需考慮電壓跌落問題，電網電壓跌落時間過長會導致一些敏感設備停機。另外，開關短路分斷時將產生過電壓，過電壓可能損壞系統設備。因此艦船直流電網對電壓波動有嚴格的要求，為了綜合考慮電壓跌落和過電壓的作用，我們設定了本文示例電網的主網絡電壓允差如圖2。該電壓允差圖的含義是：系統正常工作電壓的范圍為額定電壓±10%；考慮到整流和逆變裝置的工作能力，母線電壓跌落時間不應超過10 ms；同時還考慮了設備的絕緣水平或器件的耐壓水平，瞬態過電壓峰值不超過額定電壓的2.6倍，過電壓平均值不超過額定電壓的2倍。

圖2 本文示例電網的電壓允差范圍

例如F6短路流經Q5的短路電流和此時的母線電壓跌落如圖3。

圖3 F6短路情況下流過Q5的短路電流和兩個配電板的電壓跌落

從計算結果看，該示例電網的短路電流很大，超出了普通直流開關設備的分斷能力。電網電壓跌落也很嚴重，幾個典型位置發生短路時，兩塊主配電板的電壓都迅速跌落到接近零，由于直流開關分斷時間在幾百毫秒以上，開關分斷以后母線電壓才能恢復，這將導致逆變器等敏感設備停機。

2 ATH-CLF的仿真模型

2.1 ATH-CLF結構組成及原理

ATH-CLF主要包括電弧觸發器、開斷器、滅弧熔斷器三個部分。電弧觸發器主要由兩塊銅板和連接在之間的金屬熔體（通常為銀）構成。開斷器用較大截面積的銅導體制成，載流能力很強，正常負荷電流主要從開斷器流過而不從滅弧熔斷器流過。當短路電流流過時，熔體發熱熔斷，產生的電弧電壓直接觸發開斷器內的電雷管和少量炸藥，使開斷器分斷。開斷器分斷后產生的電弧電壓迫使短路電流轉移到并聯的滅弧熔斷器中，滅弧熔斷器的熔體材料（銀或銅等金屬材料）經過一定的弧前時間后熔斷，這個時間也同時作為開斷器換流結束后的介質恢復時間。熔體熔斷后，滅弧熔斷器中將產生高于電源電壓的電弧電壓，因此短路電流開始被限制并逐漸減小到零，短路電流被徹底分斷。ATH-CLF的結構組成及短路分斷過程的波形示意圖如圖4。

ATH-CLF的額定電流可以高達4000A，它在短路電流的初始階段就分斷，實際流過的短路電流遠小于預期，因此起到限流保護作用。同時由于其動作的快速性以及并聯石英砂熔斷器的強大電弧能量吸收能力，其分斷能力也非常強大。

圖4 混合型限流熔斷器的結構組成及分斷過程波形

2.2弧前模塊

2.3燃弧模塊

弧前過程結束后，K1，K2，K3全部打開，進入燃弧模塊。此時僅有滅弧熔斷器在起作用，其燃弧過程和普通限流熔斷器一樣，本文參考日本學者T. Tanaka和 M. Yamasaki提出的方法[8]，用RC串聯元件來模擬燃弧過程，RC參數需通過一次短路分斷試驗來反推得到。通過合理的參數整定，選擇本文示例中ATH-CLF的燃弧模塊RC參數為=500 mΩ，=4 mF。

此外還需輸入ATH-CLF的觸發器弧前2特性曲線以及滅弧熔斷器弧前2特性曲線。設定觸發至開斷的延遲時間為100 μs，開斷器電阻R=10 μΩ，滅弧熔斷器電阻R=5 mΩ，換流回路電感L=0.5 μH。

圖5 ATH-CLF的仿真模型框圖

（圖中R為開斷器電阻，R為滅弧熔斷器電阻，L為換流回路電感，U為開斷器電弧電壓）

3 ATH-CLF的加裝效果分析

3.1在母聯Q4位置安裝ATH-CLF

圖6 兩種典型短路情況的開關短路電流和母線電壓跌落

首先考慮在母聯Q4位置安裝ATH-CLF，任何位置發生短路時ATH-CLF都可將電網快速分割為兩個區域，從而使故障區域的短路電流降低，非故障區域的母線電壓也可得到快速的恢復。部分計算結果如圖6和表2。

計算結果表明，Q3、Q8、Q9、Q10的最大短路電流大大降低。而且任何位置短路，總可保證其中一塊主配電板的電壓跌落在10 ms之內恢復。但Q1、Q2、Q5、Q6、Q7的最大短路電流仍然偏高，且短路側母線電壓跌落得不到快速恢復。

表2 Q4位置加裝ATH-CLF時，流過各個開關的最大短路電流

3.2 在Q4和Q11位置各安裝一臺ATH-CLF

如圖7，除Q4外，再在配電板bus1位于汽發和蓄電池之間的Q11位置加裝ATH-CLF，把bus1分割成bus1和bus3。短路時可將三個電源劃分成獨立的區域，進一步降低短路電流。

圖7 Q4和Q11位置各安裝一臺ATH-CLF

此時各個開關的最大短路電流如表3所示。這種方式可將各個開關最大短路電流顯著降低，因此降低了開關的設計要求。而且可保證各種情況下三段母線中的兩段在短路時電壓跌落時間在10 ms以內。其中F6短路時的部分短路電流和母線電壓跌落值見圖8。

表3 各個開關的最大短路電流

這種情況下的動作較為復雜，必須考慮到兩臺ATH-CLF之間的動作先后關系。圖8給出了F6短路情況下流過Q4和Q11的短路電流情況，由于流過Q11的短路電流遠大于流過Q4的短路電流，實際上Q11動作到分斷結束，Q4僅僅是觸發器熔斷觸發，滅弧熔斷器沒有熔斷，并未進入燃弧階段，因此不會使兩臺ATH-CLF的過電壓疊加而超過系統的電壓允差范圍上限如圖8（b）。

圖8 F6短路情況下的短路電流和母線電壓跌落

4 結論

1）建立了電弧觸發式混合型限流熔斷器（ATH-CLF）的EMTP仿真模型。使用該模型能夠方便的分析ATH-CLF在電網中的應用效果，并可選擇ATH-CLF的最優參數整定值。

2）以IEEE推薦的一種艦船中壓直流電網為例，進行了仿真分析。分析認為，不采用ATH-CLF時，電網短路電流水平很高，短路時母線電壓跌落時間長。

3）在本文示例中，如果在母聯位置安裝一臺ATH-CLF，可有效降低部分開關的最大短路電流，并保證短路時1/2區域的母線電壓跌落可快速恢復。

4）在本文示例中，如果加裝兩臺ATH-CLF，將三個電源分割開，可有效降低所有開關的最大短路電流，并保證短路時2/3區域的母線電壓跌落可快速恢復。

[1]馬偉明. 艦船動力發展的方向-綜合電力系統[J]. 海軍工程大學學報, 2002, 14(6): 1-5.

[2]馬偉明. 電力電子在艦船電力系統中的典型應用[J]. 電工技術學報, 2011, 26(5): 1-7.

[3]Kevin P L. Intelligent diagnostic requirements of future all electric ship integrated power system[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2007, 43(1): 139-149.

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

[5]陳搏, 莊勁武, 肖翼洋, 等. 10kV/2kA混合型限流熔斷器用電弧觸發器的分析與設計[J]. 高電壓技術, 2012, 38(8)。

[6]陳搏, 莊勁武, 唐振, 等. 高壓大電流爆炸母線式開斷器的分析與優化設計[J]. 電工技術學報, 2012, 增刊。

[7]IEEE Std 1709-2010. IEEE Recommended practice for 1 kV to 35 kV medium-voltage DC power systems on ships[S]. IEEE Industry Applications Society, 2010, 11.

Application of Novel Hybrid Current Limiting Fuses to Ship’s Integrated Power Systems

Song Bo

(Naval Representatives Office in Dalian 426 Factory, Dalian 116005, Liaoning, China）

TM77

A

1003-4862（2014）08-0031-05

2014-01-22

宋波(1967-)，男，高工。研究方向: 艦船電氣及自動控制。