直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)熔斷器的仿真與試驗研究

潘永德

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直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)熔斷器的仿真與試驗研究

潘永德

（大連測控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013）

熔斷器是直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)保護的關(guān)鍵元件，本文研究了熔斷器在直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)保護中的原理和特性。通過熔斷器熔斷試驗，總結(jié)了熔斷器熔斷過程、特性和關(guān)鍵參數(shù)，并以此利用數(shù)值方法建立了熔斷器的仿真模型，該模型仿真計算的結(jié)果與試驗結(jié)果接近。該仿真模型能夠用于后續(xù)直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)的短路電流計算，為后續(xù)直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)的設(shè)計提供幫助。

直流組網(wǎng) 熔斷器 數(shù)值建模 短路電流計算

0 引言

迄今為止，綜合電力推進系統(tǒng)工程應(yīng)用經(jīng)過了三個發(fā)展階段：直流電力推進系統(tǒng)、交流電力推進系統(tǒng)及直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)[1]。直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)是下一代電力推進系統(tǒng)的主要形式[2]，目前已在高端船舶廣泛推廣應(yīng)用。直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)中，交流發(fā)電機組整流后并入直流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)逆變后驅(qū)動交流推進電機或者為日用負荷供電。

直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

直流組網(wǎng)系統(tǒng)中各支路的直流開關(guān)為隔離開關(guān)，不起保護作用，系統(tǒng)運行時開關(guān)長期閉合。當(dāng)直流電網(wǎng)的某支路發(fā)生短路故障時，直流主干網(wǎng)的在網(wǎng)電容經(jīng)直流主干網(wǎng)向同一個短路點放電，放電回路包含上圖的各分布參數(shù)和元器件參數(shù)。熔斷器是該直流組網(wǎng)系統(tǒng)保護中的關(guān)鍵部件。

本文重點分析了直流組網(wǎng)系統(tǒng)中使用的熔斷器的保護原理，通過試驗對其特性和關(guān)鍵參數(shù)進行了研究，通過數(shù)值方法建立了熔斷器的仿真建模，應(yīng)用于直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)的短路計算中。

1 直流熔斷器原理

熔斷器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示，其的作用是限制短路電流，當(dāng)通過熔斷器的電流超過其最小熔斷電流時，熔斷器由于過熱而熔化，繼而產(chǎn)生汽化，電弧開始產(chǎn)生，最后電弧熄滅，絕緣恢復(fù)，熔斷器工作過程結(jié)束[3]。

短路電流在熔斷器切斷故障回路的過程中可以分為兩個階段：弧前階段和燃弧階段，如圖 3所示。當(dāng)熔斷器的電流逐漸增加，熔斷器的發(fā)熱超過了熔斷器的熱擴散，熔斷器內(nèi)部實現(xiàn)了熱的累積，當(dāng)溫度累積到一定的程度，會導(dǎo)致熔斷器的熔體從金屬狀態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，這一過程為弧前階段（t）。為了達到這種條件的2稱為弧前2。如果此時熔斷器繼續(xù)熔斷過程，則熔斷器拉弧，并繼續(xù)吸收能量，直到電弧熄滅，熔斷器徹底斷路，這一過程為燃弧階段（t）。在這一過程中的2稱之為電弧2。

圖1 直流組網(wǎng)系統(tǒng)直流主干網(wǎng)等效電路

圖2 熔斷器結(jié)構(gòu)示意圖

在弧前階段，熔斷器是可恢復(fù)的，并沒有受到損傷；在熔斷器達到弧前2之后，熔斷器內(nèi)部起弧并損傷，無法繼續(xù)使用。

參見圖3，弧前階段中熔斷器等效阻值較小，短路電流主要由系統(tǒng)阻抗決定，電流波形按照預(yù)期短路電流波形持續(xù)上升。燃弧階段會產(chǎn)生電弧，熔斷器等效阻值非常大，短路電流在起弧瞬間達到最大值，即切斷電流（Cut-off current），起弧后短路電流會偏離預(yù)期短路電流并逐漸減小。整個熔斷時間t之后，短路電流過零，熔斷器電弧電壓與短路點殘余電壓相同，熔斷器將故障回路從系統(tǒng)中切除。

圖3 短路故障時電壓和電流曲線

2 熔斷器熔斷試驗

為了驗證熔斷器熔斷特性和對回路電流的影響，做了多組針對多型熔斷器的短路放電試驗。試驗回路如下：

圖4 電容-熔斷器放電試驗主回路

首先經(jīng)過調(diào)壓器和二極管整流橋?qū)χ绷髂妇€支撐電容充電，待充電到試驗電壓后，斷開K2，閉合K3，模擬直流短路過程，試驗中測量電容電壓、回路電流和熔斷器兩端電壓。

其放電回路等效電路如圖5。

被測熔斷器型號西安開爾泰電力電子制造有限公司KHD3-K-400A/750V以及KHD3- K-630 A/750 V兩款熔斷器。典型試驗波形如圖6、圖7。

圖5 熔斷器試驗等效電路

3 仿真建模原理

熔斷器可以等效為一個可變電阻的模型，如圖8所示。

熔斷器電感由其結(jié)構(gòu)決定，相比線路電感非常小且相對固定，將其等效為固定電感。

圖6 未熔斷時的試驗波形

圖7 正常熔斷試驗波形

圖8 熔斷器等效模型

可變電阻模型以可變電壓源為基礎(chǔ)創(chuàng)建。在正常工況下熔斷器等效阻值較小，在短路狀態(tài)時，通常有大量的電流流入熔斷器，熔斷器的溫度急劇上升，其電阻隨之增大；當(dāng)?shù)竭_弧前2后，熔體迅速汽化為氣態(tài)并被激發(fā)，成為等離子態(tài)，受石英砂冷卻和壓力的影響，熔斷器等效電阻迅速增大，回路電流迅速減小；當(dāng)回路電流減小到0時，說明熔斷器已經(jīng)滅弧，完全斷開。

由于熔斷器的工作有明顯的階段區(qū)分，所以分階段對熔斷器等效電阻進行建模[4]：

1）正常運行階段：熔斷器通流在額定電流以下時，阻值不變；

2）弧前階段：過流導(dǎo)致熔斷器發(fā)熱高于其自身散熱，熔斷器內(nèi)部溫度升高，阻值增大；判據(jù)：通流大于額定的電流的1.2倍。

3）燃弧階段：部分熔芯融化、汽化、起弧，阻值迅速增大，電流出現(xiàn)拐點開始減小。判據(jù)：電流累積2達到弧前2；

4）熔斷階段：起弧的等離子體柱受到石英砂擠壓降溫熄滅，電流到零。判據(jù)：電流累積2達到熔斷2（與當(dāng)前熔斷器兩端電壓有關(guān)），電流接近零。

根據(jù)以上分析，建立熔斷器數(shù)值模型，使用該模型搭建試驗回路與試驗結(jié)果進行對比：

圖9 574 V電容放電試驗波形

由對比圖可以看出熔斷器仿真模型能夠準確的模擬熔斷器熔斷外特性，可以帶入系統(tǒng)模型對系統(tǒng)分析和設(shè)計工作提供參考。

4 小結(jié)

熔斷器是直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，本文重點分析了直流組網(wǎng)系統(tǒng)中使用的熔斷器的保護原理和特性，通過試驗對其特性和關(guān)鍵參數(shù)進行了研究，并通過數(shù)值方法建立了熔斷器的仿真建模，能夠應(yīng)用于直流組網(wǎng)電力推進系統(tǒng)的短路計算中。

[1] 張鵬, 石媛. 基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真研究[J]. 船電技術(shù), 2016, 36(9): 53-56.

[2] T. V. Vu, S. Paran, T. E. Mezyani and C. S. Edrington. Real-time distributed power optimization in the DC microgrids of shipboard power systems[C]. 2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), 2015: 118-122.

[3] 杜曉牧. 光伏系統(tǒng)保護用熔斷器的發(fā)展與應(yīng)用[J].太陽能技術(shù)產(chǎn)品與工程, 2016 (8): 21-25.

[4] 吳迪, 李紅江, 畢坤, 楊鋒. 基于EMTDC_PSCAD的熔斷器仿真模型[J]. 船電技術(shù), 2011(6): 14-17.

DC Power Station Electric Propulsion System Based on Variable Speed Generation

Pan Yongde

(Dalian Institute of measurement and control technology, Dalian 116013, Liaoning, China)

TM611

A

1003-4862（2019）06-0014-03

2018-12-13

潘永德(1989-)，男，助理工程師，從事船舶電氣相關(guān)專業(yè)。