船用中壓真空接觸器及熔斷器組合裝置技術研究

楊　青，王　寧

（1.海軍駐上海711所軍事代表室，上海 2 01108；2.上海電器科學研究所（集團）有限公司，上海 200 063）

船用中壓真空接觸器及熔斷器組合裝置技術研究

楊青1，王寧2

（1.海軍駐上海711所軍事代表室，上海 2 01108；2.上海電器科學研究所（集團）有限公司，上海 200 063）

針對船用中壓電力系統的使用要求，本文分析了船用中壓真空接觸器-熔斷器組合裝置（船用FC組合裝置）的技術特點，提出了船用FC組合裝置在整體結構、抗沖擊、機械聯鎖、保護特性配合和絕緣結構設計等方面的設計方案，并通過試驗驗證了關鍵技術措施的可行性。

船舶中壓電力系統接觸器熔斷器

0　引言

隨著船舶電氣化水平的不斷提高，用電負荷快速增加，目前很多大型船舶電力系統的總裝機容量已達十幾兆瓦、幾十兆瓦甚至上百兆瓦，中壓電力系統［1］及中壓配電板在船舶上得到了越來越廣泛地應用。

船舶中壓配電板由若干斷路器柜、接觸器柜（FC組合柜）按實際使用要求組成［2］，通常包括若干發電機屏、母聯屏、預勵磁屏和負載屏。船用中壓真空接觸器-熔斷器組合裝置（船用FC組合裝置）是船舶中壓配電板中FC組合柜的核心部件，雖然美、英等國已有豐富的使用經驗并發布了相應標準［3］，但我國船用FC組合裝置的研究、設計、制造和試驗還處于起步階段。

本文針對船用中壓電力系統的使用要求，分析了船用FC組合裝置的技術特點，提出了相應的設計方案，并對關鍵技術措施進行了試驗驗證。

1　船用FC組合裝置的技術特點

1.1使用場合

船用中壓真空接觸器和限流熔斷器串聯可組成船用FC組合裝置，該裝置具有壽命長、體積小、重量輕、不爆炸、不污染環境、可頻繁操作、可實現較高分斷能力等一系列優點，這種以限流熔斷器作為后備保護的組合裝置的供電方式具有良好的經濟效益［4］。文獻［5］認為，在1600 k VA及以下的變壓器回路、1200 kW 及以下的高壓電動機回路和1200 kVar及以下的電容器組，更適合選用FC組合柜供電；如果負荷超出此范圍時，則應使用真空斷路器柜供電。船舶中壓配電板的組成大體上也遵循這一規律。因此，在船舶中壓電力系統中，側推電動機、大容量輔機電動機、預勵磁變壓器等中壓負載通常由FC組合柜供電。

1.2技術要求

船用FC組合裝置首先應滿足GB/T 11022、GB/T 14808、GB/T 15166.2等國標［6-8］的要求，此外還需滿足GJB 4000、GJB 5A、GJB 1915、GJB 150A、GJB 150.18等國軍標［9-10］的要求。其主要性能可用如下技術指標（例）描述：

額定電壓：12 kV；額定頻率：50 Hz；額定電流：250 A；接觸器額定開斷電流：2.5 kA；接觸器短時耐受電流：2.5 kA/4 s；1min工頻耐壓（對地、相間/斷口）：42 kV/48 kV；額定雷電沖擊耐壓（對地、相間/斷口）：75 kV /85 kV；接觸器與熔斷器配合（FC組合裝置）額定短路開斷電流：50 kA；工作環境：有鹽霧、油霧、霉菌、傾斜、搖擺、沖擊和振動等影響。

2　船用FC組合裝置的設計

2.1整體結構

本文提出的船用FC組合裝置主要由船用中壓真空接觸器（以下簡稱接觸器）、中壓限流熔斷器（以下簡稱熔斷器）以及底盤車等部件構成。該裝置的基本工作原理是負荷的正常啟動和停止全部依靠接觸器來完成，接觸器同時還承擔著部分過載電流的開斷任務，充分利用了接觸器可頻繁操作和機械壽命長的優勢；而較為嚴重的大電流或短路電流的開斷任務則由熔斷器來完成，充分利用熔斷器的限流特性以及預期開斷電流大的優勢。由于船用FC組合裝置實際使用時主要配裝于中置式中壓配電板中，綜合考慮裝置重心和小型化，設計將接觸器水平安裝于底盤車上，將熔斷器架安裝于接觸器上方，熔斷器水平安裝于熔斷器架內，形成下層接觸器、上層熔斷器的整體結構，如圖1所示。

圖1　船用FC組合裝置結構示意圖

船用FC組合裝置采用可移開式的結構設計，有利于實現裝置間的互換性、減少維修時間。從電氣回路上看，熔斷器位于電源側，可使熔斷器的保護范圍最大化；通過一次梅花觸頭連接至中壓配電板的一次回路，通過二次航空插頭連接至中壓配電板的二次回路。船用FC組合裝置正面配有面板，用于安裝計數器、合分閘指示、手動分閘按鈕等指示裝置。

2.2抗沖擊設計

船用FC組合裝置必須滿足艦船機械環境、特別是強沖擊的影響。當出現強沖擊情況時，船用FC組合裝置應能保持原有工作狀態，觸頭彈跳控制在一定范圍內，不發生誤動作。

現有接觸器產品的主流合閘保持方式可分為機械保持方式和電保持方式：采用線圈長期通電保持的稱為電保持；采用機械式鎖扣裝置保持的稱為機械保持。通過對兩種保持方式保持機理進行比較，結合大量沖擊摸底試驗，發現在強沖擊情況下，由于電保持方式保持力比較小，并且受到供電回路中二次控制元件出現觸頭彈跳導致合閘電磁鐵短時失電的影響，將引起接觸器主觸頭約200ms左右的彈跳；相比電保持，機械保持更有利于抗沖擊的實現。為此，針對機械保持樣機在沖擊摸底試驗中誤動作的情況，以機構配置平衡為主要思路，設計出了一套連桿平衡保持機構（如圖2所示），使得強沖擊對保持機構在各個方向的影響都互為抵消，降低了沖擊產生誤動作的可能性。

圖2　接觸器的抗沖擊保持機構

除設計特殊保持機構外，結構強度對強沖擊下接觸器合閘狀態的保持至關重要，結構部件的扭曲形變量超出保持機構的設計余量時，將導致不可逆的誤動作。因此設計中必須對關鍵部件進行結構加強。另外，還需同時對船用FC組合裝置的結構強度進行加強。

其他抗沖擊措施還有：選用質量輕強度高的零部件；配合通過局部減振的方式對部分二次回路控制元件進行減振處理；設計以接觸器轉動的支點為中心、最大化地將結構進行完全對稱布置，以達到理想的平衡工作狀態，從而將沖擊激勵在正向、垂向和側向三個方向產生的影響互為抵消。

2.3聯鎖設計

船用FC組合裝置必須設計聯鎖機構［6］以防止人員誤操作而造成事故，主要設計有以下幾類聯鎖：熔斷器熔斷分閘接觸器聯鎖，當熔斷器熔斷時可及時分閘接觸器；防止誤分、合接觸器聯鎖，只有該裝置處在工作位置和隔離位置時接觸器才能進行合分閘操作；防止帶負荷推拉聯鎖，接觸器只有處于分閘位置時該裝置才能搖進搖出；預留與成套設備內接地開關聯鎖接口，該功能需結合成套設備設計實現，當接地開關合閘時，該裝置不能從隔離位置進入到工作位置，當該裝置處于工作位置時，接地開關不能合閘。

2.4保護特性配合

當船用FC組合裝置用于向側推電動機、大容量輔機電動機等電動機負載供電時，通常采用綜合繼電保護裝置控制接觸器合分閘對小電流故障進行反時限或定時限保護；當故障電流大于接觸器開斷電流時，采用熔斷器提供短路保護。當船用FC組合裝置用于向預勵磁變壓器負載供電時，由于是短時工作，可不考慮對小電流故障進行反時限或定時限保護，只需采用熔斷器提供短路保護。

船用FC組合裝置中的熔斷器需根據供電負載的類型和使用條件來確定額定電流。此外，由于船用FC組合裝置通常規定使用環境為50℃，按文獻［8］的規定，當熔斷器周圍溫度超過40℃時，則每升高1℃，熔斷器額定電流應減少1%使用。熔斷器型號確定后，需對接觸器與熔斷器的保護配合（SCPD）進行校核。以本文設計的船用FC組合裝置為例，選用庫柏西熔生產的XRNT1-12（SXLDJ-12kV/200A-50kA）型熔斷器，其額定最大開斷電流為50 k A，額定最小開斷電流為2.5 kA，時間-電流特性曲線如圖3中200 A對應的曲線所示。接觸器的參數見本文2.2節。接觸器與熔斷器保護配合（SCPD）校核主要針對兩個方面。

1）接觸器承受熔斷器開斷50 kA大電流時產生能量的校核

為了驗證熔斷器開斷50 kA電流時，接觸器可否承受10 ms的極短時大電流產生的能量，分別對熔斷器開斷50 kA大電流時的總能量和接觸器額定短時耐受時的總能量進行計算比較。

熔斷器開斷時的總能量：Q1=i2t＜（50kA）2×10ms=2.5×107J

接觸器短時耐受時的總能量：Q2=i2t=（2.5kA）2×4s=2.5×107J Q1＜Q2，接觸器能夠承受極短時的大電流。

2）接觸器額定開斷電流范圍內機械強度的校核

接觸器的額定開斷電流指標為2.5 kA，額定短時耐受電流指標為2.5 kA/4 s，根據熔斷器時間-電流特性曲線可見，當預期電流為2.5 kA時，弧前時間約為0.5 s，遠小于4 s的額定短時耐受時間，故接觸器在開斷能力范圍內不會有損壞。

所選用的熔斷器與接觸器可以實現保護配合（SCPD），在接觸器額定開斷電流范圍內以及熔斷器開斷大電流的極短時間內，接觸器均不會損壞。

2.5絕緣結構設計

船用FC組合裝置長期運行于潮濕海洋環境中，且作為中壓產品，工作環境的電壓等級較高，應充分考慮絕緣結構設計，保證設備運行時的安全可靠。接觸器中的核心部件為真空滅弧室，通過滅弧室內部真空優良的絕緣性能使得電路切斷電源后能迅速熄弧并抑制電流。根據船用環境特點，選用爬電距離大的波紋型真空滅弧室更有利于絕緣，除此之外，還應通過在放電路徑上設置固體絕緣隔板、在裸露導體外部敷設絕緣材料等措施加大電氣間隙，通過在絕緣件中設計筋槽等措施加大爬電距離。

3　船用FC裝置關鍵技術試驗驗證

3.1抗沖擊

船用FC組合裝置需要對其抗沖擊性能進行驗證。抗沖擊試驗按文獻［13］ 的方法進行，試驗后首先應符合以下要求：1）應無影響產品正常使用的機械損壞；2）接觸器合分閘狀態不應改變；3）觸頭允許有不超過20 ms的瞬時斷開，但不允許從斷開位置變成閉合。

在畜禽養殖地區，有不法分子，也總是有人收購病死畜禽，這些人員成為畜禽疫病傳播的主要途徑，嚴重危害了養殖業的健康發展和人民的身體健康，所以要加大對這些人員的打擊力度，一旦發現應該從嚴從重給予處罰，必要時追究刑事責任，廣大養殖戶也要樹立自覺維護養殖環境的正確觀念，拒絕出售病死畜禽，將病死畜禽進行無害化處理。

不同于低壓電器產品，船用FC組合裝置額定電壓等級高達12 k V，在受到強沖擊后應確保其絕緣良好、仍可安全運行，因此試驗后還須增加以下驗證試驗：

1）工頻耐受電壓試驗，施加的試驗電壓為船用FC組合裝置額定工頻耐受電壓值的85%；

2）溫升試驗，溫升最大值應不高于文獻［6］表3中的數值；

3）真空度測試，真空滅弧室內部氣體壓力應低于6.6×10-2 Pa［15］。

船用FC組合裝置符合上述規定，則沖擊試驗判為合格。

船用FC組合裝置須按文獻［7］進行聯鎖性能驗證，主要項目有：

1）撞擊器聯動聯鎖。由于撞擊器熔斷時撞擊力值與行程參數有關，因此，用最小能量的撞擊器（可采用模擬撞擊器）對船用FC組合裝置A、B和C相各進行操作試驗30次，用最大能量的撞擊器（可采用模擬撞擊器）對船用FC組合裝置同時進行三相操作試驗10次，由此確保撞擊器最小能量時能觸發接觸器分閘，但最大能量觸發接觸器分閘時不會損壞聯鎖本身。試后聯鎖機構應與試前相同，動作可靠；

2）防誤合聯鎖。將一只帶有已伸出撞擊器的模擬熔斷器調整至其最小實際行程，依次對船用FC組合裝置A、B和C相進行試驗，應確保此時接觸器既不能合閘也不能保持在合閘狀態；

3）防帶負荷移動聯鎖。將防止帶負荷拉動船用FC組合裝置聯鎖處于閉鎖位置，施加正常操作力對該其試操作50次、對可移開部件進行25次插入和25次抽出的試操作，此時船用FC組合裝置不可能被操作、可移開部件的插入和抽出完全被阻止、且試驗前后操作力應基本相同。

船用FC組合裝置符合上述規定，則聯鎖試驗判為合格。

4　結論

為了滿足船舶中壓電力系統的使用要求，本文設計了具有如下特點的船用FC組合裝置：整體結構方面，采用下層接觸器、上層熔斷器的可移開式的結構設計；抗沖擊方面，設計了一套連桿平衡機械保持機構；機械聯鎖方面，預留有與成套設備內接地開關的聯鎖接口；保護特性配合（SCPD）方面，進行了短路電流開斷能量和機械強度的校核；絕緣結構設計方面，采用了加大電氣間隙和爬電距離的結構。還進行了抗沖擊、機械聯鎖等試驗，驗證了相關技術措施的正確性。

［1］ 吳庚申，李成玉. 電力推進船舶的中壓電力系統［J］.船電技術，2003，（6）： 15-18.

［2］ 楊青. 船舶中壓配電板的特點及發展趨勢［J］. 船舶工程，2011，33（6）：45-48.

［3］ MIL-DTL-32483：2013.SWITCHGEAR，POWER，HAR D-MOUNTED，MEDIUM VOLTAGE，NAVAL SHIPBOARD ［S］.

［4］ 熊泰昌. 真空開關電器［M］. 北京： 中國水利水電出版社，2002.

［5］ 沈興元. 高壓真空接觸器高壓限流熔斷器組合電器在發電廠中的應用［J］. 電力設備，2006，7（2）： 72-75.

［6］ GB/T 1 1022： 2011. 高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求［S］.

［7］ GB/T 14 808： 20 01. 交流高壓接觸器和基于接觸器的電動機起動器［S］.

［8］ GB/T 15166.2： 2008. 高壓交流熔斷器 第2部分：限流熔斷器［S］.

［9］ GJB 4000： 2000. 艦船通用規范 3組 電力系統［S］.

［10］ GJB 5A： 1995. 艦用低壓電器通用規范［S］.

Research on Technique of Medium Voltage Fuse-Contactor Unit Equipment for Ships

Yang Qing1，Wang Ning2
（1. The Naval Representatives Office in No.711 Research Institute，Shanghai 201108，China；2. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute，Shanghai 200063，China）

In allusion to the requirements of a marine medium voltage power system, this paper analyzes the technical characteristics of the medium voltage Fuse-Contactor unit equipment, and presents design scheme of the fuse-contactor unit equipment especially including overall structure, shock resistance, mechanical interlocking, protection characteristic and insulation system. Finally the feasibility of these key techniques is verified by experiments.

ship; medium voltage; power system; contactor; fuse

TM463

A

1003-4862（2015）09-0052-04

2015-07-09

楊青（1967-），男，高級工程師。研究方向：船舶電力系統、開關電器。