一種艦船直流保護開關模擬短路試驗裝置

蓋忠偉 張家貴 姚俊林

（武漢杭久電氣有限公司 湖北省武漢市 430205）

隨著艦船事業的蓬勃發展，建造出操作性、運行效率、功率密度性能更加優異的艦船提上了發展日程，艦船中壓直流綜合電力推進系統的提出，有利于提高能源利用率。而在艦船綜合電力推進系統中采用直流電力系統，不是單純意味著回到直流供電系統，而是將直流電的優勢和交流電的優勢相結合，形成更加完善合理的艦船電力系統結構，從而達到節省空間、節約能源、延長設備工作壽命等多種目的。目前，除了針對與艦船中壓直流綜合電力推進系統本身的研究，如系統設計、系統暫穩態特性、系統穩定性成為了艦船行業突出研究點，在系統中可能存在的理論問題如直流斷路器設計、直流電流保護裝置設計等研究，同樣是國內外學者和專家致力研究的重點。艦船直流電力系統發生短路時，電流可達數萬安培，可將幾公斤的鋼鐵瞬間氣化為等離子體，為確保安全，直流保護開關要求非常可靠、靈敏的在規定時間內將電路斷開[1]。

本系統在設計中對蓄電池串聯、短路電流保護、瞬時大電流高精度檢測等關鍵技術進行了研究，研制出一種艦船直流電力系統短路電流模擬裝置，滿足艦船直流保護開關進行短延時、長延時保護特性試驗的需求，模擬短路過程恢復電壓特性，在保護開關電弧熄滅后，提供恢復電壓，為艦船直流保護開關短路、過載試驗提供了試驗平臺。

1 國內直流保護開關短路特性檢測現狀

目前艦船直流保護開關短路特性檢測現狀主要存在以下兩方面的問題：

一方面，直流電力系統中使用的直流保護開關的短路特性都是生產廠家在設備出廠時提供的數據，使用、檢修及維護人員不具備相關檢測手段，難以確認其保護特性是否符合要求。而且由于時間的推移，開關的保護特性也會隨之發生改變，特別是運行時間超過三年后，設備的技術指標會發生很大變化，從而造成當電力系統故障時，保護開關發生誤動或拒動。

另一方面，國內進行直流保護開關短路特性的檢查設備均為固定的電源、固定負載等設備，試驗分析儀器一般采用常規設備如電壓表、電流表、示波器等，整個測試系統接線復雜使用不便，智能化程度不高。因此有必要研制出一套自動化的測試裝置，能夠很方便對直流保護開關的短路特性進行測試和試驗[2]。

2 直流保護開關模擬短路試驗裝置的組成及工作原理

直流保護開關模擬短路試驗裝置主要由電壓模擬裝置（蓄電池組）、可調電阻柜、開關柜（含電感、合閘后備開關、試驗安全保護開關）、遠程控制臺（試驗測控系統）組成。采用1000Ah 硅能鉛酸電池組作為電壓模擬裝置，通過調節串聯回路中的可調電阻和電感值，控制蓄電池組輸出電流，完成對被測直流開關的短延時保護及長延時保護測試。系統原理框圖如圖1 所示。

圖1：系統組成

直流電力系統短路電流模擬裝置不工作時合閘后備開關Q1 及試驗安全保護開關Q2 斷開，保證蓄電池組與測試系統其他組件電氣隔離，此時可進行實驗前準備工作，如可調電阻、電感的切換，被測直流開關Q3 連接等工作。準備開始試驗時，試驗測控系統先閉合被測試開關Q3 和試驗安全保護開關Q2，合閘后備開關Q1 處于斷開狀態。試驗開始時，試驗測控系統閉合合閘后備開關Q1，試驗電路導通，電流通過被測開關Q3，達到電流脫扣值，被測直流開關Q3 斷開，再經過一定延時，試驗測控系統在試驗平臺電流為零情況下先后分斷試驗安全保護開關Q2 和合閘后備開關Q1；若被測直流開關Q3 試驗分斷失敗，試驗測控系統延時一定時間后強制先后分斷試驗安全保護開關Q2 和合閘后備開關Q1，將試驗開關Q3 與電源電氣隔離。試驗安全保護開關Q2、合閘后備開關Q1 都具備帶電流分斷能力，防止其中一臺出現故障時無法分斷試驗平臺電流，對試驗平臺起雙重后備保護作用。

3 電壓模擬裝置（蓄電池柜）設計

電壓模擬裝置（蓄電池柜）由12 臺電池柜組成，每臺電池柜含38 個2V/1000AH 的硅能蓄電池，38 個蓄電池通過銅排進行串聯，12 臺電池柜首尾相連進行串接，456 塊硅能蓄電池串聯為試驗平臺提供約900V 直流電壓。硅能蓄電池是一種新型環保蓄電池，采用全新機理的復合硅鹽作為電解質，其比能量特性、大電流放電特性、低溫特性、使用壽命、環保性能等均優于目前國內外普遍使用的鉛酸蓄電池，綜合性價比高。[3]

每臺蓄電池柜分為四層，上面三層正反兩面均布置有蓄電池，最下一層正反兩面布置電池、蓄電池監測裝置及進出線銅排，電池柜每面19 塊電池通過銅排連接，正反兩面電池也通過折彎銅排串聯，蓄電池柜結構及電池布置圖如圖2所示。電池柜機柜采用標準GGD 機柜，內部使用矩形鋼管設置支架進行加固，保證在沖擊振動下或起吊運輸過程中不會發生永久變形。機柜設前后門，前后門均為對開門，采用鉸鏈和門鎖固定，門開啟角度≥90°。機柜采用自然散熱，其前后門板下方設有不同數量的進風孔，頂部設有出風孔。機柜外殼的防護形式為防護式，在柜頂出風口上方加裝雨棚，四角布置四個吊裝環，方便吊裝。在柜底設置了蓄電池監測裝置，能夠監測每塊蓄電池電壓，同時通過放置在蓄電池殼體上的溫度傳感器監測蓄電池溫度，蓄電池監測裝置能夠將電池的電量及溫度信息通過CAN 總線上傳。

圖2：蓄電池柜結構及電池布置圖

4 開關柜設計

開關柜由試驗安全保護開關、合閘后備開關、電感及電流電壓傳感器等組成。試驗安全保護開關和合閘后備開關具備帶電流分斷能力，一方面試驗過程中用于合閘及斷開試驗平臺與被測開關的連接，另一方面需要在被測開關在短路無法正常分斷時，主動分斷試驗平臺電流，對試驗平臺起保護作用。電感在試驗中存儲能量，限制電路中電流上升率。開關柜在設計中重點考慮了直流斷路器上方的滅弧安全距離，其結構示意圖如圖3 所示。

圖3：開關柜結構示意

4.1 開關選型

試驗臺架工作電壓DC700V-900V，最大電流5000A，試驗安全保護開關Q2 和合閘后備開關Q1 選用武漢長海電氣生產的全新直流快速斷路器ZDS3-40/09S 直流快速斷路器。該斷路器具有可靠的機械閉鎖結構，以防正常情況下誤動作，并在故障情況下能可靠分閘，斷路器帶機械強制脫扣裝置（分閘時間在3 至5ms）。額定工作電壓900V，最大工作電壓1000V，額定絕緣電壓3000V，額定工作電流4600A，額定短路電流180KA，100ms，均可滿足實驗條件，如圖4 所示。

圖4：直流快速斷路器主要參數

4.2 電感

電感采用銅箔卷繞，用銅排作為引出端，共設置四個50uH/1500A 電感，可靈活的改變連接方式得到需要的電感值。

4.3 電壓電流檢測

電壓檢測采用電壓傳感器LV100-1000，額定檢測電壓1000V，最大檢測電壓1500V，輸出電流50mA。電流檢測采用電流傳感器HAZ6000-SBI，額定檢測電流6000A，輸出電流20mA。電壓電流傳感器輸出信號通過信號調理電路送入模擬量數據采集卡進行計算。

5 可調電阻柜設計

可調電阻柜在電氣回路中用于限制短路電流，主回路采用8 臺接觸器控制4 個電阻器的串并聯組合成不同的阻值，在外部電壓下得到所需要的電流值。每只電阻器阻值精度保證在±3%以內，且滿足在一定電流、電壓和時間條件下穩定可靠工作。

可調電阻柜的電阻與電感等部件之間連接采用高溫導線，電流匯總采用銅排。主回路接口為銅排，在柜體底部；控制回路接口為圓形連接器，也安裝在柜體底部，包括接觸器控制線路和輔助觸點信號線路。同時柜體面板上預留指示燈，顯示接觸器分合閘狀態。

電阻柜滿足在電壓DC900V，電流5000A 的工況下短期工作要求，遠程操作控制接觸器分合閘狀態進行檔位切換，切換時只能進行無負荷分斷，通電中嚴禁切換接觸器。用戶可根據需要進行開關組合，可得阻值與電流如表1 所示。

表1：電阻柜阻值（電流）與接觸器狀態對應表

可調電阻柜為框架式結構，側面、背面均用薄鋼板封閉，正面為鋼質門。本設備柜體內設置接地螺柱，并設有明顯的接地標識。設備內的電氣元件、電纜等都有永久性的，與電路圖一致的標志。儀表和指示燈的位置可方便操作人員的觀察；操作部件的高度適合操作，設備內器件的布置可方便于檢修更換。

6 遠程控制臺（試驗測控系統）設計

試驗測控系統的主要硬件平臺是一臺工控機，系統軟件采用LABVIEW 編制，LabVIEW 是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。其外觀和操作均模仿現實儀器，這一點的設計，大大方便了傳統的儀器工程師，也是其成功的一個重要因素。虛擬儀器的核心技術思想就是“軟件即是儀器”，由此突出了軟件在虛擬儀器系統中的重要性[4]。

通過數據采集卡接受外部電流、電壓模擬量信號和斷路器狀態的開關量信號，實時顯示各項參數和開關狀態，并記錄試驗時電流、電壓波形。通過操作界面發出動作指令控制斷路器分合閘。

控制系統軟件有三層界面，第一層界面控制和顯示整個系統的各個斷路器分合閘，顯示蓄電池電壓等情況；第二層界面控制和顯示電阻柜參數匹配設定，可以操作接觸器分合閘，預算阻值與電流情況；第三層界面是在實驗完成后顯示電流電壓實時波形圖。軟件顯示界面如圖5 所示。

圖5：試驗測控系統軟件界面示意圖

控制系統的計算機安裝在遠程控制臺內，控制臺內還有輔助電源和中間繼電器板。接口分四路，包括AC220V 電源、電阻柜接觸器控制和開關信號檢測、主回路電流電壓模擬量信號采樣、合閘后備開關Q1、試驗安全保護開關Q2、被測試開關Q3 控制和開關信號采樣，接口全部采用圓形連接器形式，方便插拔和接線。在遠程控制臺上設置有緊急停止開關，能在緊急情況下斷開整個系統電源。

7 結論

直流電力系統短路電流模擬裝置的電壓模擬裝置的蓄電池柜的通用化、模塊化設計，方便生產制造及維修更換，蓄電池柜具有電壓測量、溫度傳感器，開關柜試驗安全保護開關及合閘后備開關均具備帶電流分斷能力，能夠保證系統安全可靠運行。通過試驗測控系統軟件的控制可實現電阻值自動調整、試驗開關短路試驗、系統電流電壓自動測量并記錄、試驗報告生成等功能。該系統已正式投入運行，實際試驗結果表明，該系統具有智能化、模塊化、測試準確等優點，達到了設計要求。