一種用于某型艦船岸電配電裝置的過流保護方法研究

丁洪兵

（海軍上海地區裝備修理監修室，上海 200136）

0 引言

某型艦船靠岸停靠碼頭時，50 Hz交流機組停止運行，通過設置在甲板上的岸基供電接頭給電網提供50 Hz的交流電源。岸電配電裝置用于將暗點交流電源輸入至艦船上50 Hz交流電站。該艦船岸電配電裝置有兩個控制開關，一個為岸電選擇開關、另一個為220 V岸電接通開關。當交流岸電為127 V、50 Hz交流電時，岸電選擇開關接通“127 V位”直接向該艦船上50 Hz交流電站供電，其中220 V岸電接通開關斷開；當岸電為220 V、50 Hz交流電時，岸電選擇開關接通“220 V位”使岸電電源與岸電配電裝置外的變壓器相連，經變壓器變壓成127 V后，通過接通的220 V岸電接通開關送至該艦船50 Hz交流電站。

現有艦船岸電配電裝置根據輸入岸基電壓大小，接通不同開關向50 Hz交流電網提供交流岸電，并沒有考慮過流過壓保護功能，裝置故障或誤操作會引起岸電配電裝置和用電負載的損毀，裝置隱患風險大。

艦船岸電配電系統是艦船在停靠碼頭器件最重要的部分，它的可靠性決定了艦船靠岸時的用電安全，為了保證其在接入岸電220 V時不會發生過流故障，國內外一直在研究用于艦船岸電配電系統的過流保護技術，能夠在發生過流故障的時候最快的解決，以免造成更大的危害，但是同時也需要保證保護動作的準確性，以免造成非正常的保護動作。

目前，在艦船岸電配電系統的輸入端加入一個熔斷器是國內主要采取的方法，但是這是一種被動的保護手段[1]。采用熔斷器不失是一種好辦法，但是其可能有不可恢復的性質，同時存在像浪涌電流等不可靠因素，其準確性欠佳，比如常用的濾波電路中有電感與電容，在其過渡過程中會形成尖脈沖，如果使用熔斷器的系統之中有這種濾波電路，就會因為尖脈沖的存在而造成熔斷器誤動作。所以在艦船岸電配電系統中要盡量不采用熔斷器，應使用在過流保護后可以及時恢復的過流保護電路。但是在國內，固態功率控制技術還沒有用于艦船岸電配電系統作為過流保護手段。

1 采用固態功率控制器的過流保護方式

固態功率控制器（SSPC）是一種保護電路，具有轉換和短路功能，SSPC由MOSFET驅動，配合控制、隔離電路以及輔助電源完成工作，是一種具有可恢復性的過流保護裝置[2,3]。所以使用了 SSPC的過流保護系統如果發生了過流的故障，可恢復的保護裝置將采取過流保護動作，同時其狀態會傳輸到控制單元，控制單元會預測保護后整個艦船供電將會收到的影響，繼而作出怎么進行過流故障保護的決策[4]。可以看到，固態功率控制器具有可恢復性質，采用固態功率控制器的過流保護系統可以使整個系統更加智能化。

1.1 過流保護體系設計

如前所述，固態功率控制器具有可恢復性質，同時還能增加整個系統的智能化，已經在很多行業有了使用，但是其由于擁有很多個模塊，也就會使得其設計更加復雜，而且自身也有幾率發生故障。但是隨著后續艦船越來越復雜，艦船岸電配電系統將為更多的設備供電，如果在過流情況下固態功率控制器由于故障沒有動作，將會造成整個艦船斷電，甚至造成艦船上眾多設備損壞的嚴重后果。固態功率控制器可以降低系統在剛啟動的時候可能會形成的尖端電流，進而避免了采用單一的熔斷器會因浪涌電流發生誤動作的危害，同時還能提高系統的可靠性[7]。根據以上分析，為了進一步提高艦船岸電配電系統在艦船靠岸供電的可靠性，本文提出固態功率控制器加熔斷器的方法，該方法同時擁有兩者的優勢，也避免了傳統單一使用熔斷器的不足。采用固態功率控制器加熔斷器的方法的艦船岸電配電系統的配電圖如圖1。

1.2 參數設定

在確定采用固態功率控制器加熔斷器的方法后，當艦船在接入岸電的時候或者艦船設備故障等發生過流的時候，因為SSPC和熔斷器都可以進行過流保護動作的，又由于SSPC具有可恢復性質，所以SSPC需要早于熔斷器發生動作前動作，待排除過流故障后，再次供電。如果熔斷器在SSPC前先動作，那么SSPC的可恢復性就發揮不出來，就失去了使用固態功率控制器加熔斷器的意義。

圖1 配電模式示意圖

從上可知，采用固態功率控制器加熔斷器的方法后，整個過流保護系統具有兩重保護，所以需要匹配設計SSPC和熔斷器兩者的過流保護曲線，即對它們的參數進行針對性的計算，這樣才能達到增加使用固態功率控制器的目的。

1.2.1 熔斷器的保護曲線

表1是Schulte公司的MGA-S系列熔斷器的相關參數，圖2是其熔斷曲線，該系列熔斷器是現今使用較為普遍的熔斷器。

圖2 MGA-S熔斷器熔斷曲線圖

1.2.2 SSPC的保護曲線

表2是國外三家公司的SSPC的相關參數。

從表中可以看到，每個公司的SSPC的過流動作時間是不一樣的，那么從其應用原理來看，其相關參數的設置就要和使用的地方緊密的結合起來，如果短時間內電源輸出能量大而負載可通過大電流的情況下可采用時間較長的 SSPC，這樣可提高SSPC的抗干擾能力，如果相反，就要采用時間動作時間較短的SSPC。

以表2中某公司的SSPC為例，它含有0.5、1、3及10 A共四種型號，0.5、1、3 A這三種型號的SSPC在過流電流小于額定電流8倍的時候，如果使用I2t保護方式，伴隨著電流的增大，它們的動作時間會縮短，當過流電流大于額定電流 8倍的時候將會馬上動作，其動作時間少于500 μs。而10 A型號的SSPC因為在過流動作時要更多的能量，所以在過流電流超過額定電流4倍的時候就會馬上動作，圖3是這四種型號SSPC的保護曲線。

表1 MGA-S熔斷器熔斷時間

表2 SSPC的過流動作時間

圖3 SSPC產品過流保護曲線

1.2.3 過流保護參數匹配

因為需要在發生過流保護的時候，SSPC要在熔斷器動作之前先動作，所以就要根據 SSPC和熔斷器兩者的特性曲線進行相應的設計。這就是要為各個規格的SSPC都配置一個相應容量的熔斷器，以確保在熔斷器動作之前SSPC先動作。我們從圖2可知，熔斷器的動作時間伴隨著電流的增加而減少的，同時從圖3又可以看到，SSPC的動作時間和熔斷器一樣，也是伴隨著電流的增加而減小的。所以在設備發生過流故障的時候，在每一個固定的電流值，SSPC的動作時間都比熔斷器的熔斷時間少，而且有時間冗余，也就是可以保證熔斷器在SSPC動作前不會動作，這樣就保證了它們的時序要求。若要反映在圖中，保證SSPC的特性曲線在熔斷器下方即可。

這里以10 A規格的SSPC為例，配置一個20 A的熔斷器，當系統電流為20 A的時候，已經是SSPC的 2倍，但是此時熔斷器沒有過流，此時SSPC動作同時熔斷器沒有動作；當系統電流為30 A的時候，已經是SSPC的3倍，同時是熔斷器的1.5倍，熔斷器的動作時間＞10 s的，則SSPC動作時間能夠＜1s即可，此時冗余有9 s；當系統電流為40 A的時候，已經是SSPC的4倍，同時是熔斷器的2倍，熔斷器的動作時間＞2 s的，該時刻SSPC就會立即動作，時間＜500 μs，這樣就保證了SSPC先于熔斷器動作。從匹配的角度來看，因為固定電流規格的SSPC所對應的熔斷器的規格更大，動作時間也相應的增加，然而熔斷器容量也不該過大，由于容量大的可能會因為電源供給不了充足的能量熔斷。所以需要按一下標準選擇熔斷器：

式中：Ip為艦船岸電配電系統保護電流；In為熔斷器額定電流；Is為接入艦船岸電配電最大額定電流；Ie為設備最大額定電流；α為熔斷器中的電流降額因子。

2 過流保護仿真及驗證

通過前面可知，選擇合適的SSPC和熔斷器，就能夠實現SSPC早于熔斷器動作的目標，使得時序合適。在此基礎上，本文對該方法進行了建模與仿真以及實驗，以確定該方法的正確性。

2.1 仿真分析

首先對熔斷器和固態功率控制器進行了建模，在建模之后對其進行了仿真與驗證。

2.1.1 熔斷器模型建立

首先使用電路仿真軟件Saber對型號為20 A的熔斷器進行了建模，并根據 Schulte公司提供的參數進行設定后，其特性仿真波形圖如下：

圖4 熔斷器測試波形

從圖4能夠看到，建模的熔斷器在過額定電流0.8到1.25倍的時候不會熔斷，同時在過額定電流1.5倍的時候動作時間超過10 s，過額定電流1.7和2倍的時候動作時間超過2 s，這與圖2中的熔斷器是相符的。

2.1.2 SSPC模型建立

以電流規格為10 A的SSPC為例，其建模后所測試得到的波形如下。

從圖能夠看到，負載兩端從0 V上升到100 V的用了45 μs，從100 V下降到0 V用了15 μs，這與SSPC的特性是一致的，故該模型是可行的。

2.1.3 過流保護仿真

同時利用Saber軟件中相關器件，依據前文所分析的SSPC以及熔斷器的相關數據，采用點擬合法建立I2t的過流保護模塊。將各個部分連接好，搭建整個仿真系統，圖6為系統的過流保護特性。

圖6是電流為10 A的SSPC在系統電流由額定值突然上升到20 A的曲線。從圖中可以看到，正常工作的時候，系統電流為10 A，在0.5 s的時候電流突然上升到20 A，此時SSPC動作，在1.38 s的時候斷開，整個動作時間為0.88 s，系統電流下降到0 A。

圖5 SSPC測試波形

圖6 10A的SSPC流過2倍的波形

圖7是電流為10 A的SSPC在系統電流由額定值突然上升到36.8 A的曲線。從圖中可以看到，正常工作的時候，流過系統的電流為10 A，在其突然上升到 36.8 A的時候，SSPC動作，又在502.36 ms的時候斷開。整個動作時間為1.41 ms，系統電流就下降到0 A。

圖7 10A的SSPC流過4倍的波形

從上面的仿真可以看出，使用該新的過流保護方法，通過對固態功率控制器和熔斷器的相應設計后，在發生過流狀況時，SSPC動作將先于熔斷器，能夠起到故障隔離目的，且熔斷器不斷開。

2.2 試驗驗證

對SSPC加熔斷器的方法搭建了試驗驗證平臺，其由穩壓直流電源、驅動電路、SSPC、熔斷器以及負載組成。其內部組成以及相互的連接掛下如圖8。SSPC選用了電流為0.5、1、3、10 A四種，在SSPC的前端連接熔斷器。試驗平臺的電源電壓為DC100 V，固態功率控制器的偏置電壓為12 V，控制信號電壓為0.5 V，負載電流能夠調節，SSPC的開通與關斷通過驅動電路來控制。

圖8 試驗驗證框圖

在實驗中，先連接好開關K1和K2，再連接好SSPC，最后將電流慢慢增加，從而對SSPC的保護特性進行測試。當SSPC動作過后，使用驅動電路馬上斷開 SSPC，以及將各負載調整到標準工況，就可第二次接通SSPC，調整過流大小，從而繼續對SSPC的保護特性進行測試。最終得到如圖9波形。

圖中的綠色線條是固態功率控制器的電流特性曲線，紅色線條是固態功率控制器的控制信號。（a）圖是在正常工作情況下，流過負載的電流為10 A，當該電流突然上升到20 A，SSPC的動作時間為0.8 s，然后電流降低到0。（b）圖是在正常工作情況下，流過負載的電流為10 A，當該電流突然上升到 37.3 A，SSPC的動作時間為 1.3 ms，然后電流降低到 0。（c）圖是在正常工作情況下，流過負載的電流為3 A，當該電流突然上升到25.1 A，SSPC的動作時間為37 μs，達到在短路的情況下立刻動作的要求。

從圖9的保護曲線可以看到，采用SSPC加熔斷器的方法后，通過SSPC和熔斷器進行匹配設計以后，系統發生過流狀況時，由于SSPC的動作時間早于熔斷器的，因而SSPC會先動作，這時候就能達到隔離故障且熔斷器沒有動作。

3 結論

本文在對國內外艦船岸電配電系統保護電路的分析后，提出了一種采用固態功率控制器加熔斷器的過流保護系統，解決該艦船岸電配電系統中會出現的過流過壓現象。并對這種新的過流保護系統的優缺點進行了分析，并對響應的參數進行了的設定，然后進行了仿真驗證，最后做了實驗以驗證該過流保護方法。采用這樣新的系統在利用有限的資源下，達到對艦船配電系統的過流保護，提高了整個艦船配電系統的可靠性，同時也是一種可以恢復的過流保護系統，可以用于該艦船岸電配電系統中解決過流過壓現象。

圖9 SSPC過流波形

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