新型混合型限流熔断器在舰船综合电力系统中的应用分析

宋波



新型混合型限流熔断器在舰船综合电力系统中的应用分析

宋波

(海军驻大连 426 厂军事代表室，辽宁 大连 116000)

采用中压直流电网输配电是舰船综合电力系统的重点发展方向，但中压直流开关的分断能力不足成为中压直流电网发展的一个重要制约。本文提出在合理位置加装电弧触发式混合型限流熔断器（ATH-CLF）来限制中压直流电网短路电流的方法来解决这一问题。首先以IEEE Std 1709-2010推荐的一种舰船中压直流电网为例，建立了该电网的EMTP仿真模型和ATH-CLF的EMTP仿真模型，计算了有无ATH-CLF以及ATH-CLF安装在不同位置时各典型位置发生短路的电网短路电流及母线电压跌落。分析表明，合理的ATH-CLF加装方案可有效降低短路电流水平，并可使非故障区域的母线电压跌落在10 ms之内恢复。

舰船综合电力系统 混合型限流熔断器 中压直流电网 EMTP

0 引言

舰船综合电力系统是舰船动力技术的又一次深刻变革，近年来相关研究呈明显的加速趋势，英国CVF航母、45型驱逐舰，美国DDG1000型驱逐舰都已相继采用综合电力系统，我国也正积极开展相关研究[1]。舰船综合电力系统的重点发展方向是在发电及输配电网采用中压直流，通过电力电子装置转换为低压交流或低压直流供给负载用电，这种方式具有诸多优点而获得了广泛认可[2,3]。然而由于直流短路电流没有自然过零点，直流开关的短路分断比交流开关困难的多，直流开关的分断能力有限，因此中压直流电力系统的发展受到较大的限制。故障限流器有望为这一问题提供良好的解决方案[4]，在众多的故障限流器中，电弧触发式混合型限流熔断器（arc-triggered hybrid current limiting fuse，ATH-CLF）以其可靠性高、体积小、成本低等优点，有可能首先获得应用[5,6]。

本文以IEEE Std 1709-2010标准[7]推荐的一种舰船中压直流电力系统为例，建立了EMTP仿真模型，分析了几种典型短路情况下的系统短路电流。然后建立了ATH-CLF的仿真模块嵌入整个电力系统，对比分析各种典型短路情况下ATH-CLF的限流效果，以确定ATH-CLF的安装方案及参数整定值。

1 舰船中压直流电网示例

1.1 IEEE舰船中压直流电网

为了对发展迅速的舰船中压直流电力系统进行规范，IEEE工业应用协会推出了舰船中压直流电力系统的标准IEEE Std 1709-2010。其中推荐的一种舰船中压直流电力系统主网络拓扑如图1（左），本文在此基础上对电源和负载赋以合理的参数值构成一个简化的计算网络，如图1（右）所示。

假设电网电压为4 kV，简化过程中，不考虑岸电供电的情况。应急电源采用蓄电池组，负载和电缆简化为电感和电阻集总参数模型。图中给出F1~F7共七处典型短路位置，分为三类。第一类，电源出口侧短路，F1~F3；第二类，配电板短路，F4、F5；第三类，负载侧短路，F6、F7。由于逆变装置内部的电力电子器件作用，各类负载不会向短路点馈流。汽发、柴发和蓄电池全部投入且蓄电池充满电的工况是短路电流最大的工况，因此本文对此工况进行分析。

1.2基于EMTP仿真模型的短路电流计算

基于EMTP软件建立示例电网的仿真模型，对各种短路情况下各开关位置的短路电流及母线电压跌落进行计算。设置各电源单独出口侧短路的短路电流分别为：汽发50 kA，蓄电池50 kA，柴发30 kA。

对各种短路情况进行仿真计算，得到流经各个开关的最大短路电流如表1。发现流经各开关的最大短路电流都较高，最大可达130 kA，对各个开关的分断能力要求都很高。

图1 IEEE协会推荐的舰船中压直流电力系统及简化赋值后的本文计算例子

表1 流经各个开关的最大短路电流

发生短路时，除了短路电流外，还需考虑电压跌落问题，电网电压跌落时间过长会导致一些敏感设备停机。另外，开关短路分断时将产生过电压，过电压可能损坏系统设备。因此舰船直流电网对电压波动有严格的要求，为了综合考虑电压跌落和过电压的作用，我们设定了本文示例电网的主网络电压允差如图2。该电压允差图的含义是：系统正常工作电压的范围为额定电压±10%；考虑到整流和逆变装置的工作能力，母线电压跌落时间不应超过10 ms；同时还考虑了设备的绝缘水平或器件的耐压水平，瞬态过电压峰值不超过额定电压的2.6倍，过电压平均值不超过额定电压的2倍。

图2 本文示例电网的电压允差范围

例如F6短路流经Q5的短路电流和此时的母线电压跌落如图3。

图3 F6短路情况下流过Q5的短路电流和两个配电板的电压跌落

从计算结果看，该示例电网的短路电流很大，超出了普通直流开关设备的分断能力。电网电压跌落也很严重，几个典型位置发生短路时，两块主配电板的电压都迅速跌落到接近零，由于直流开关分断时间在几百毫秒以上，开关分断以后母线电压才能恢复，这将导致逆变器等敏感设备停机。

2 ATH-CLF的仿真模型

2.1 ATH-CLF结构组成及原理

ATH-CLF主要包括电弧触发器、开断器、灭弧熔断器三个部分。电弧触发器主要由两块铜板和连接在之间的金属熔体（通常为银）构成。开断器用较大截面积的铜导体制成，载流能力很强，正常负荷电流主要从开断器流过而不从灭弧熔断器流过。当短路电流流过时，熔体发热熔断，产生的电弧电压直接触发开断器内的电雷管和少量炸药，使开断器分断。开断器分断后产生的电弧电压迫使短路电流转移到并联的灭弧熔断器中，灭弧熔断器的熔体材料（银或铜等金属材料）经过一定的弧前时间后熔断，这个时间也同时作为开断器换流结束后的介质恢复时间。熔体熔断后，灭弧熔断器中将产生高于电源电压的电弧电压，因此短路电流开始被限制并逐渐减小到零，短路电流被彻底分断。ATH-CLF的结构组成及短路分断过程的波形示意图如图4。

ATH-CLF的额定电流可以高达4000A，它在短路电流的初始阶段就分断，实际流过的短路电流远小于预期，因此起到限流保护作用。同时由于其动作的快速性以及并联石英砂熔断器的强大电弧能量吸收能力，其分断能力也非常强大。

图4 混合型限流熔断器的结构组成及分断过程波形

2.2弧前模块

2.3燃弧模块

弧前过程结束后，K1，K2，K3全部打开，进入燃弧模块。此时仅有灭弧熔断器在起作用，其燃弧过程和普通限流熔断器一样，本文参考日本学者T. Tanaka和 M. Yamasaki提出的方法[8]，用RC串联元件来模拟燃弧过程，RC参数需通过一次短路分断试验来反推得到。通过合理的参数整定，选择本文示例中ATH-CLF的燃弧模块RC参数为=500 mΩ，=4 mF。

此外还需输入ATH-CLF的触发器弧前2特性曲线以及灭弧熔断器弧前2特性曲线。设定触发至开断的延迟时间为100 μs，开断器电阻R=10 μΩ，灭弧熔断器电阻R=5 mΩ，换流回路电感L=0.5 μH。

图5 ATH-CLF的仿真模型框图

（图中R为开断器电阻，R为灭弧熔断器电阻，L为换流回路电感，U为开断器电弧电压）

3 ATH-CLF的加装效果分析

3.1在母联Q4位置安装ATH-CLF

图6 两种典型短路情况的开关短路电流和母线电压跌落

首先考虑在母联Q4位置安装ATH-CLF，任何位置发生短路时ATH-CLF都可将电网快速分割为两个区域，从而使故障区域的短路电流降低，非故障区域的母线电压也可得到快速的恢复。部分计算结果如图6和表2。

计算结果表明，Q3、Q8、Q9、Q10的最大短路电流大大降低。而且任何位置短路，总可保证其中一块主配电板的电压跌落在10 ms之内恢复。但Q1、Q2、Q5、Q6、Q7的最大短路电流仍然偏高，且短路侧母线电压跌落得不到快速恢复。

表2 Q4位置加装ATH-CLF时，流过各个开关的最大短路电流

3.2 在Q4和Q11位置各安装一台ATH-CLF

如图7，除Q4外，再在配电板bus1位于汽发和蓄电池之间的Q11位置加装ATH-CLF，把bus1分割成bus1和bus3。短路时可将三个电源划分成独立的区域，进一步降低短路电流。

图7 Q4和Q11位置各安装一台ATH-CLF

此时各个开关的最大短路电流如表3所示。这种方式可将各个开关最大短路电流显著降低，因此降低了开关的设计要求。而且可保证各种情况下三段母线中的两段在短路时电压跌落时间在10 ms以内。其中F6短路时的部分短路电流和母线电压跌落值见图8。

表3 各个开关的最大短路电流

这种情况下的动作较为复杂，必须考虑到两台ATH-CLF之间的动作先后关系。图8给出了F6短路情况下流过Q4和Q11的短路电流情况，由于流过Q11的短路电流远大于流过Q4的短路电流，实际上Q11动作到分断结束，Q4仅仅是触发器熔断触发，灭弧熔断器没有熔断，并未进入燃弧阶段，因此不会使两台ATH-CLF的过电压叠加而超过系统的电压允差范围上限如图8（b）。

图8 F6短路情况下的短路电流和母线电压跌落

4 结论

1）建立了电弧触发式混合型限流熔断器（ATH-CLF）的EMTP仿真模型。使用该模型能够方便的分析ATH-CLF在电网中的应用效果，并可选择ATH-CLF的最优参数整定值。

2）以IEEE推荐的一种舰船中压直流电网为例，进行了仿真分析。分析认为，不采用ATH-CLF时，电网短路电流水平很高，短路时母线电压跌落时间长。

3）在本文示例中，如果在母联位置安装一台ATH-CLF，可有效降低部分开关的最大短路电流，并保证短路时1/2区域的母线电压跌落可快速恢复。

4）在本文示例中，如果加装两台ATH-CLF，将三个电源分割开，可有效降低所有开关的最大短路电流，并保证短路时2/3区域的母线电压跌落可快速恢复。

[1]马伟明. 舰船动力发展的方向-综合电力系统[J]. 海军工程大学学报, 2002, 14(6): 1-5.

[2]马伟明. 电力电子在舰船电力系统中的典型应用[J]. 电工技术学报, 2011, 26(5): 1-7.

[3]Kevin P L. Intelligent diagnostic requirements of future all electric ship integrated power system[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2007, 43(1): 139-149.

[4]庄劲武, 张晓峰, 杨锋, 等. 船舶直流电网短路限流装置的设计与分析[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(20): 26-30.

[5]陈搏, 庄劲武, 肖翼洋, 等. 10kV/2kA混合型限流熔断器用电弧触发器的分析与设计[J]. 高电压技术, 2012, 38(8)。

[6]陈搏, 庄劲武, 唐振, 等. 高压大电流爆炸母线式开断器的分析与优化设计[J]. 电工技术学报, 2012, 增刊。

[7]IEEE Std 1709-2010. IEEE Recommended practice for 1 kV to 35 kV medium-voltage DC power systems on ships[S]. IEEE Industry Applications Society, 2010, 11.

Application of Novel Hybrid Current Limiting Fuses to Ship’s Integrated Power Systems

Song Bo

(Naval Representatives Office in Dalian 426 Factory, Dalian 116005, Liaoning, China）

TM77

A

1003-4862（2014）08-0031-05

2014-01-22

宋波(1967-)，男，高工。研究方向: 舰船电气及自动控制。