船用中压真空接触器及熔断器组合装置技术研究

杨　青，王　宁

（1.海军驻上海711所军事代表室，上海 2 01108；2.上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海 200 063）

船用中压真空接触器及熔断器组合装置技术研究

杨青1，王宁2

（1.海军驻上海711所军事代表室，上海 2 01108；2.上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海 200 063）

针对船用中压电力系统的使用要求，本文分析了船用中压真空接触器-熔断器组合装置（船用FC组合装置）的技术特点，提出了船用FC组合装置在整体结构、抗冲击、机械联锁、保护特性配合和绝缘结构设计等方面的设计方案，并通过试验验证了关键技术措施的可行性。

船舶中压电力系统接触器熔断器

0　引言

随着船舶电气化水平的不断提高，用电负荷快速增加，目前很多大型船舶电力系统的总装机容量已达十几兆瓦、几十兆瓦甚至上百兆瓦，中压电力系统［1］及中压配电板在船舶上得到了越来越广泛地应用。

船舶中压配电板由若干断路器柜、接触器柜（FC组合柜）按实际使用要求组成［2］，通常包括若干发电机屏、母联屏、预励磁屏和负载屏。船用中压真空接触器-熔断器组合装置（船用FC组合装置）是船舶中压配电板中FC组合柜的核心部件，虽然美、英等国已有丰富的使用经验并发布了相应标准［3］，但我国船用FC组合装置的研究、设计、制造和试验还处于起步阶段。

本文针对船用中压电力系统的使用要求，分析了船用FC组合装置的技术特点，提出了相应的设计方案，并对关键技术措施进行了试验验证。

1　船用FC组合装置的技术特点

1.1使用场合

船用中压真空接触器和限流熔断器串联可组成船用FC组合装置，该装置具有寿命长、体积小、重量轻、不爆炸、不污染环境、可频繁操作、可实现较高分断能力等一系列优点，这种以限流熔断器作为后备保护的组合装置的供电方式具有良好的经济效益［4］。文献［5］认为，在1600 k VA及以下的变压器回路、1200 kW 及以下的高压电动机回路和1200 kVar及以下的电容器组，更适合选用FC组合柜供电；如果负荷超出此范围时，则应使用真空断路器柜供电。船舶中压配电板的组成大体上也遵循这一规律。因此，在船舶中压电力系统中，侧推电动机、大容量辅机电动机、预励磁变压器等中压负载通常由FC组合柜供电。

1.2技术要求

船用FC组合装置首先应满足GB/T 11022、GB/T 14808、GB/T 15166.2等国标［6-8］的要求，此外还需满足GJB 4000、GJB 5A、GJB 1915、GJB 150A、GJB 150.18等国军标［9-10］的要求。其主要性能可用如下技术指标（例）描述：

额定电压：12 kV；额定频率：50 Hz；额定电流：250 A；接触器额定开断电流：2.5 kA；接触器短时耐受电流：2.5 kA/4 s；1min工频耐压（对地、相间/断口）：42 kV/48 kV；额定雷电冲击耐压（对地、相间/断口）：75 kV /85 kV；接触器与熔断器配合（FC组合装置）额定短路开断电流：50 kA；工作环境：有盐雾、油雾、霉菌、倾斜、摇摆、冲击和振动等影响。

2　船用FC组合装置的设计

2.1整体结构

本文提出的船用FC组合装置主要由船用中压真空接触器（以下简称接触器）、中压限流熔断器（以下简称熔断器）以及底盘车等部件构成。该装置的基本工作原理是负荷的正常启动和停止全部依靠接触器来完成，接触器同时还承担着部分过载电流的开断任务，充分利用了接触器可频繁操作和机械寿命长的优势；而较为严重的大电流或短路电流的开断任务则由熔断器来完成，充分利用熔断器的限流特性以及预期开断电流大的优势。由于船用FC组合装置实际使用时主要配装于中置式中压配电板中，综合考虑装置重心和小型化，设计将接触器水平安装于底盘车上，将熔断器架安装于接触器上方，熔断器水平安装于熔断器架内，形成下层接触器、上层熔断器的整体结构，如图1所示。

图1　船用FC组合装置结构示意图

船用FC组合装置采用可移开式的结构设计，有利于实现装置间的互换性、减少维修时间。从电气回路上看，熔断器位于电源侧，可使熔断器的保护范围最大化；通过一次梅花触头连接至中压配电板的一次回路，通过二次航空插头连接至中压配电板的二次回路。船用FC组合装置正面配有面板，用于安装计数器、合分闸指示、手动分闸按钮等指示装置。

2.2抗冲击设计

船用FC组合装置必须满足舰船机械环境、特别是强冲击的影响。当出现强冲击情况时，船用FC组合装置应能保持原有工作状态，触头弹跳控制在一定范围内，不发生误动作。

现有接触器产品的主流合闸保持方式可分为机械保持方式和电保持方式：采用线圈长期通电保持的称为电保持；采用机械式锁扣装置保持的称为机械保持。通过对两种保持方式保持机理进行比较，结合大量冲击摸底试验，发现在强冲击情况下，由于电保持方式保持力比较小，并且受到供电回路中二次控制元件出现触头弹跳导致合闸电磁铁短时失电的影响，将引起接触器主触头约200ms左右的弹跳；相比电保持，机械保持更有利于抗冲击的实现。为此，针对机械保持样机在冲击摸底试验中误动作的情况，以机构配置平衡为主要思路，设计出了一套连杆平衡保持机构（如图2所示），使得强冲击对保持机构在各个方向的影响都互为抵消，降低了冲击产生误动作的可能性。

图2　接触器的抗冲击保持机构

除设计特殊保持机构外，结构强度对强冲击下接触器合闸状态的保持至关重要，结构部件的扭曲形变量超出保持机构的设计余量时，将导致不可逆的误动作。因此设计中必须对关键部件进行结构加强。另外，还需同时对船用FC组合装置的结构强度进行加强。

其他抗冲击措施还有：选用质量轻强度高的零部件；配合通过局部减振的方式对部分二次回路控制元件进行减振处理；设计以接触器转动的支点为中心、最大化地将结构进行完全对称布置，以达到理想的平衡工作状态，从而将冲击激励在正向、垂向和侧向三个方向产生的影响互为抵消。

2.3联锁设计

船用FC组合装置必须设计联锁机构［6］以防止人员误操作而造成事故，主要设计有以下几类联锁：熔断器熔断分闸接触器联锁，当熔断器熔断时可及时分闸接触器；防止误分、合接触器联锁，只有该装置处在工作位置和隔离位置时接触器才能进行合分闸操作；防止带负荷推拉联锁，接触器只有处于分闸位置时该装置才能摇进摇出；预留与成套设备内接地开关联锁接口，该功能需结合成套设备设计实现，当接地开关合闸时，该装置不能从隔离位置进入到工作位置，当该装置处于工作位置时，接地开关不能合闸。

2.4保护特性配合

当船用FC组合装置用于向侧推电动机、大容量辅机电动机等电动机负载供电时，通常采用综合继电保护装置控制接触器合分闸对小电流故障进行反时限或定时限保护；当故障电流大于接触器开断电流时，采用熔断器提供短路保护。当船用FC组合装置用于向预励磁变压器负载供电时，由于是短时工作，可不考虑对小电流故障进行反时限或定时限保护，只需采用熔断器提供短路保护。

船用FC组合装置中的熔断器需根据供电负载的类型和使用条件来确定额定电流。此外，由于船用FC组合装置通常规定使用环境为50℃，按文献［8］的规定，当熔断器周围温度超过40℃时，则每升高1℃，熔断器额定电流应减少1%使用。熔断器型号确定后，需对接触器与熔断器的保护配合（SCPD）进行校核。以本文设计的船用FC组合装置为例，选用库柏西熔生产的XRNT1-12（SXLDJ-12kV/200A-50kA）型熔断器，其额定最大开断电流为50 k A，额定最小开断电流为2.5 kA，时间-电流特性曲线如图3中200 A对应的曲线所示。接触器的参数见本文2.2节。接触器与熔断器保护配合（SCPD）校核主要针对两个方面。

1）接触器承受熔断器开断50 kA大电流时产生能量的校核

为了验证熔断器开断50 kA电流时，接触器可否承受10 ms的极短时大电流产生的能量，分别对熔断器开断50 kA大电流时的总能量和接触器额定短时耐受时的总能量进行计算比较。

熔断器开断时的总能量：Q1=i2t＜（50kA）2×10ms=2.5×107J

接触器短时耐受时的总能量：Q2=i2t=（2.5kA）2×4s=2.5×107J Q1＜Q2，接触器能够承受极短时的大电流。

2）接触器额定开断电流范围内机械强度的校核

接触器的额定开断电流指标为2.5 kA，额定短时耐受电流指标为2.5 kA/4 s，根据熔断器时间-电流特性曲线可见，当预期电流为2.5 kA时，弧前时间约为0.5 s，远小于4 s的额定短时耐受时间，故接触器在开断能力范围内不会有损坏。

所选用的熔断器与接触器可以实现保护配合（SCPD），在接触器额定开断电流范围内以及熔断器开断大电流的极短时间内，接触器均不会损坏。

2.5绝缘结构设计

船用FC组合装置长期运行于潮湿海洋环境中，且作为中压产品，工作环境的电压等级较高，应充分考虑绝缘结构设计，保证设备运行时的安全可靠。接触器中的核心部件为真空灭弧室，通过灭弧室内部真空优良的绝缘性能使得电路切断电源后能迅速熄弧并抑制电流。根据船用环境特点，选用爬电距离大的波纹型真空灭弧室更有利于绝缘，除此之外，还应通过在放电路径上设置固体绝缘隔板、在裸露导体外部敷设绝缘材料等措施加大电气间隙，通过在绝缘件中设计筋槽等措施加大爬电距离。

3　船用FC装置关键技术试验验证

3.1抗冲击

船用FC组合装置需要对其抗冲击性能进行验证。抗冲击试验按文献［13］ 的方法进行，试验后首先应符合以下要求：1）应无影响产品正常使用的机械损坏；2）接触器合分闸状态不应改变；3）触头允许有不超过20 ms的瞬时断开，但不允许从断开位置变成闭合。

在畜禽养殖地区，有不法分子，也总是有人收购病死畜禽，这些人员成为畜禽疫病传播的主要途径，严重危害了养殖业的健康发展和人民的身体健康，所以要加大对这些人员的打击力度，一旦发现应该从严从重给予处罚，必要时追究刑事责任，广大养殖户也要树立自觉维护养殖环境的正确观念，拒绝出售病死畜禽，将病死畜禽进行无害化处理。

不同于低压电器产品，船用FC组合装置额定电压等级高达12 k V，在受到强冲击后应确保其绝缘良好、仍可安全运行，因此试验后还须增加以下验证试验：

1）工频耐受电压试验，施加的试验电压为船用FC组合装置额定工频耐受电压值的85%；

2）温升试验，温升最大值应不高于文献［6］表3中的数值；

3）真空度测试，真空灭弧室内部气体压力应低于6.6×10-2 Pa［15］。

船用FC组合装置符合上述规定，则冲击试验判为合格。

船用FC组合装置须按文献［7］进行联锁性能验证，主要项目有：

1）撞击器联动联锁。由于撞击器熔断时撞击力值与行程参数有关，因此，用最小能量的撞击器（可采用模拟撞击器）对船用FC组合装置A、B和C相各进行操作试验30次，用最大能量的撞击器（可采用模拟撞击器）对船用FC组合装置同时进行三相操作试验10次，由此确保撞击器最小能量时能触发接触器分闸，但最大能量触发接触器分闸时不会损坏联锁本身。试后联锁机构应与试前相同，动作可靠；

2）防误合联锁。将一只带有已伸出撞击器的模拟熔断器调整至其最小实际行程，依次对船用FC组合装置A、B和C相进行试验，应确保此时接触器既不能合闸也不能保持在合闸状态；

3）防带负荷移动联锁。将防止带负荷拉动船用FC组合装置联锁处于闭锁位置，施加正常操作力对该其试操作50次、对可移开部件进行25次插入和25次抽出的试操作，此时船用FC组合装置不可能被操作、可移开部件的插入和抽出完全被阻止、且试验前后操作力应基本相同。

船用FC组合装置符合上述规定，则联锁试验判为合格。

4　结论

为了满足船舶中压电力系统的使用要求，本文设计了具有如下特点的船用FC组合装置：整体结构方面，采用下层接触器、上层熔断器的可移开式的结构设计；抗冲击方面，设计了一套连杆平衡机械保持机构；机械联锁方面，预留有与成套设备内接地开关的联锁接口；保护特性配合（SCPD）方面，进行了短路电流开断能量和机械强度的校核；绝缘结构设计方面，采用了加大电气间隙和爬电距离的结构。还进行了抗冲击、机械联锁等试验，验证了相关技术措施的正确性。

［1］ 吴庚申，李成玉. 电力推进船舶的中压电力系统［J］.船电技术，2003，（6）： 15-18.

［2］ 杨青. 船舶中压配电板的特点及发展趋势［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. 真空开关电器［M］. 北京： 中国水利水电出版社，2002.

［5］ 沈兴元. 高压真空接触器高压限流熔断器组合电器在发电厂中的应用［J］. 电力设备，2006，7（2）： 72-75.

［6］ GB/T 1 1022： 2011. 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求［S］.

［7］ GB/T 14 808： 20 01. 交流高压接触器和基于接触器的电动机起动器［S］.

［8］ GB/T 15166.2： 2008. 高压交流熔断器 第2部分：限流熔断器［S］.

［9］ GJB 4000： 2000. 舰船通用规范 3组 电力系统［S］.

［10］ GJB 5A： 1995. 舰用低压电器通用规范［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

杨青（1967-），男，高级工程师。研究方向：船舶电力系统、开关电器。