直流組網電力推進系統熔斷器的仿真與試驗研究

潘永德

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直流組網電力推進系統熔斷器的仿真與試驗研究

潘永德

（大連測控技術研究所，遼寧大連 116013）

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

直流組網 熔斷器 數值建模 短路電流計算

0 引言

迄今為止，綜合電力推進系統工程應用經過了三個發展階段：直流電力推進系統、交流電力推進系統及直流組網電力推進系統[1]。直流組網電力推進系統是下一代電力推進系統的主要形式[2]，目前已在高端船舶廣泛推廣應用。直流組網電力推進系統中，交流發電機組整流后并入直流電網，直流電網逆變后驅動交流推進電機或者為日用負荷供電。

直流組網電力推進系統構成如圖1所示。

直流組網系統中各支路的直流開關為隔離開關，不起保護作用，系統運行時開關長期閉合。當直流電網的某支路發生短路故障時，直流主干網的在網電容經直流主干網向同一個短路點放電，放電回路包含上圖的各分布參數和元器件參數。熔斷器是該直流組網系統保護中的關鍵部件。

本文重點分析了直流組網系統中使用的熔斷器的保護原理，通過試驗對其特性和關鍵參數進行了研究，通過數值方法建立了熔斷器的仿真建模，應用于直流組網電力推進系統的短路計算中。

1 直流熔斷器原理

熔斷器的結構示意圖如圖 2所示，其的作用是限制短路電流，當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，繼而產生汽化，電弧開始產生，最后電弧熄滅，絕緣恢復，熔斷器工作過程結束[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。當熔斷器的電流逐漸增加，熔斷器的發熱超過了熔斷器的熱擴散，熔斷器內部實現了熱的累積，當溫度累積到一定的程度，會導致熔斷器的熔體從金屬狀態轉為液態，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熔斷過程，則熔斷器拉弧，并繼續吸收能量，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 直流組網系統直流主干網等效電路

圖2 熔斷器結構示意圖

在弧前階段，熔斷器是可恢復的，并沒有受到損傷；在熔斷器達到弧前2之后，熔斷器內部起弧并損傷，無法繼續使用。

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阻抗決定，電流波形按照預期短路電流波形持續上升。燃弧階段會產生電弧，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

首先經過調壓器和二極管整流橋對直流母線支撐電容充電，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。

熔斷器電感由其結構決定，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創建。在正常工況下熔斷器等效阻值較小，在短路狀態時，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；當到達弧前2后，熔體迅速汽化為氣態并被激發，成為等離子態，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；當回路電流減小到0時，說明熔斷器已經滅弧，完全斷開。

由于熔斷器的工作有明顯的階段區分，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：過流導致熔斷器發熱高于其自身散熱，熔斷器內部溫度升高，阻值增大；判據：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，電流出現拐點開始減小。判據：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：電流累積2達到熔斷2（與當前熔斷器兩端電壓有關），電流接近零。

根據以上分析，建立熔斷器數值模型，使用該模型搭建試驗回路與試驗結果進行對比：

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，可以帶入系統模型對系統分析和設計工作提供參考。

4 小結

熔斷器是直流組網電力推進系統中的關鍵元件，本文重點分析了直流組網系統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鍵參數進行了研究，并通過數值方法建立了熔斷器的仿真建模，能夠應用于直流組網電力推進系統的短路計算中。

[1] 張鵬, 石媛. 基于直流電網的船舶電力系統仿真研究[J]. 船電技術, 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. 光伏系統保護用熔斷器的發展與應用[J].太陽能技術產品與工程, 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, 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，從事船舶電氣相關專業。