基于混合型限流熔断器的船舶直流电力系统保护技术研究

吴大立 徐正喜 潘德华 罗伟 姜波

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

0 引言

近年来，随着船舶电气化程度的提高、船舶直流电力系统的容量迅速增大，短路电流可达上百 kA级，传统机械式断路器的极限分断能力、设备体积等主要技术指标难以满足系统的要求，为了解决系统的保护问题，一种集负荷开关与混合型限流熔断器于一体的组合式开关在船舶直流电力系统中得到了应用，该组合式开关在正常负载状态下由负荷开关完成电路的分合，而在短路状态下则由混合型限流熔断器实施分断。该组合式开关兼有设备体积小及预期短路分断能力高的特点，可较好适用于船舶直流电力系统的直流负载支路。一直以来，由于船舶直流电力系统电缆距离较短，线路末端短路电流与首端短路电流几乎相同，选择性保护电流原则难以应用而只能按时间原则整定，这样保证了保护选择性，却一定程度牺牲了保护的速动性[1～3]。但在直流负载支路引入混合型限流熔断器后，其切除故障速度较传统机械式断路器快，并具有很强的短路限流能力，这样使得混合型限流熔断器前后的短路电流呈现明显差异，为实现上下级保护选择性配合的电流原则创造了有利条件，从而可提高上级保护的速动性，本文对混合型限流熔断器对船舶直流电力系统保护的影响展开研究。

1 混合型限流熔断器基本工作原理[4~6]

混合型限流熔断器主要包括电弧触发器，载流隔离器和快速熔断器三个部分。其原理框图如图1所示：

图1 混合型限流熔断器原理框图

混合型限流熔断器的基本工作原理如下：

1) 电弧触发器采用一个单断口短熔体的结构。由于载流隔离器内阻远小于快速熔断器的内阻，正常负荷状态下，负荷电流主要流过电弧触发器和载流隔离器。发生短路时，电弧触发器内的熔体在短路电流下迅速熔断起弧，产生能触发载流隔离器的弧压，该过程时间一般不超过 5 ms，短路电流上升率越大，该时间越短。

2) 载流隔离器为一爆炸活塞式结构。内置炸药被电弧触发器产生的弧压触发后爆炸，推动活塞撞击载流隔离器中的铜桥连接体，铜桥连接体最薄弱部位被剪切后载流隔离器开断，该过程时间约为 100～150 μs。

3) 快速熔断器为一小额定电流的熔体，载流隔离器开断后，短路电流被转移至快速熔断器，其迅速完成能量的吸收及灭弧，该过程时间一般不超过3ms。

2 混合型限流熔断器短路限流仿真

2.1 仿真建模

某简化的船舶直流电力系统如图2所示。

图2 船舶直流电力系统简图

该电力系统采用蓄电池组供电，直流电能经逆变器或斩波器进行变换后给供给负载，蓄电池组保护开关 Q1采用框架式断路器，配置有瞬时保护、短延时保护及长延时保护。直流负载支路(逆变器或斩波器)的短路保护由混合型限流熔断器(CLF1、CLF2)完成。蓄电池组主要参数为：电压：DC800～1000 V；内电阻：38 mΩ；内电感：260 μH；支路电缆电阻：2 mΩ；支路电缆电感：15 μH。

为了验证混合型限流熔断器的短路限流特性，确定其短路限流值，本文利用 MATLAB/SIMULINK建立了含混合型限流熔断器的直流电力系统短路仿真模型，如图3所示。

图3 直流电力系统短路仿真模型

图3仿真模型中，正常运行时开关TE与FA闭合，电流主要流过开关 TE支路。系统发生短路故障，当TES模块中计算的I2t值超过电弧触发器的弧前 I2t值(取为 260 kA2s)，经 150 μs（载流隔离器开断时间）后触发开关 TE断开，短路电流转移至开关FA支路，当FAS模块中计算的I2t值超过快速熔断器的弧前I2t值(取为150 kA2s)触发开关 FA断开完成整个混合型限流熔断器分断短路电流过程的模拟。

2.2 仿真结果

图4 电压1000 V时短路电流波形

当蓄电池组电压为1000 V时，直流负载支路短路(如图2中的f1点，以下同)蓄电池组提供的短路电流波形如图4所示。短路分断时间7 ms，短路限流值12.5 kA。

当蓄电池组电压为800 V时，直流负载支路短路蓄电池组提供的短路电流波形如图5所示。短路分断时间8.3 ms，短路限流值11.5 kA。

3 电力系统保护性能分析

3.1 传统保护性能分析

根据系统参数容易计算，直流负载支路短路时，最大运行工况下，蓄电池电压为1000 V时，稳态短路电流值为25 kA，时间常数约为7 ms。最小运行工况下，蓄电池电压为800 V时，稳态短路电流值为20 kA，时间常数约为7 ms。

图5 电压800 V时短路电流波形

传统电力系统下端直流负载支路一般采用机械式断路器，没有短路限流能力，根据电力系统选择性保护的电流配合原则，蓄电池组保护开关Q1瞬时保护电流定值应躲过最大运行工况下直流负载支路的稳态短路电流值，考虑到瞬时保护20%的整定误差，即瞬时保护电流定值需整定为1.2×25=30 kA。以下进一步校验蓄电池组保护开关瞬时保护的灵敏度，瞬时保护灵敏系数定义为：

当蓄电池组支路电缆首端短路(如图 2中的f3点)时，最小工况下，蓄电池组电压为800V时，最小稳态短路电流经计算为21kA，因此瞬时保护灵敏系数：

显然，传统电力系统按电流原则整定的瞬时保护在最小运行工况下没有保护区。实际上，经计算，最大运行工况下，蓄电池组电压为1000V时的瞬时保护灵敏系数也仅为0.88，瞬时保护也起不到保护作用。对蓄电池组支路的短路保护要依赖于按时间原则整定的短延时保护，降低了保护的速动性，增加了短路对蓄电池组冲击的时间。

3.2 实际保护性能分析

实际电力系统直流负载支路采用了混合型限流熔断器，其切除故障速度快，有很强的短路限流作用。根据前文仿真结果，当直流负载支路短路时混合型限流熔断器的最大短路限流值不超过12.5 kA，蓄电池组保护开关Q1瞬时保护与混合型限流熔断器实现选择性配合时只需按该最大短路限流值考虑即可，仍然考虑瞬时保护20%的整定误差，则瞬时保护电流定值整定为1.2×12.5=15 kA。这样，即使在最小运行工况下，蓄电池电压为800 V时，蓄电池组支路电缆末端短路(如图2中的f2点)时稳态短路电流值20 kA也大于瞬时保护定值，瞬时保护保护范围可达电缆全长包括直流主配电板，在确保保护选择性的同时，有效提高了保护的速动性，为解决船舶电力系统存在的保护难题提供了一条有效途径。

4 结语

本文对基于混合型限流熔断器的船舶直流电力系统保护技术进行了研究，基本结论如下：

1)传统的未引入限流器件的船舶直流电力系统，由于上下级短路电流差异不大，上级保护只能按时间原则整定，上级保护的速动性难以保证。

2)混合型限流熔断器由于动作速度快，短路限流能力强，使得选择性保护的电流原则得以实现，为解决船舶直流电力系统保护快速性与选择性的矛盾提供了有效的技术途径，提高了船舶电力系统的安全水平。

3)由于混合型限流熔断器在船舶直流电力系统中的应用尚不多见，因此，其对电力系统保护的影响还需通过相关试验进行深入验证。

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