直流组网电力推进系统熔断器的仿真与试验研究

潘永德



直流组网电力推进系统熔断器的仿真与试验研究

潘永德

（大连测控技术研究所，辽宁大连 116013）

熔断器是直流组网电力推进系统保护的关键元件，本文研究了熔断器在直流组网电力推进系统保护中的原理和特性。通过熔断器熔断试验，总结了熔断器熔断过程、特性和关键参数，并以此利用数值方法建立了熔断器的仿真模型，该模型仿真计算的结果与试验结果接近。该仿真模型能够用于后续直流组网电力推进系统的短路电流计算，为后续直流组网电力推进系统的设计提供帮助。

直流组网 熔断器 数值建模 短路电流计算

0 引言

迄今为止，综合电力推进系统工程应用经过了三个发展阶段：直流电力推进系统、交流电力推进系统及直流组网电力推进系统[1]。直流组网电力推进系统是下一代电力推进系统的主要形式[2]，目前已在高端船舶广泛推广应用。直流组网电力推进系统中，交流发电机组整流后并入直流电网，直流电网逆变后驱动交流推进电机或者为日用负荷供电。

直流组网电力推进系统构成如图1所示。

直流组网系统中各支路的直流开关为隔离开关，不起保护作用，系统运行时开关长期闭合。当直流电网的某支路发生短路故障时，直流主干网的在网电容经直流主干网向同一个短路点放电，放电回路包含上图的各分布参数和元器件参数。熔断器是该直流组网系统保护中的关键部件。

本文重点分析了直流组网系统中使用的熔断器的保护原理，通过试验对其特性和关键参数进行了研究，通过数值方法建立了熔断器的仿真建模，应用于直流组网电力推进系统的短路计算中。

1 直流熔断器原理

熔断器的结构示意图如图 2所示，其的作用是限制短路电流，当通过熔断器的电流超过其最小熔断电流时，熔断器由于过热而熔化，继而产生汽化，电弧开始产生，最后电弧熄灭，绝缘恢复，熔断器工作过程结束[3]。

短路电流在熔断器切断故障回路的过程中可以分为两个阶段：弧前阶段和燃弧阶段，如图 3所示。当熔断器的电流逐渐增加，熔断器的发热超过了熔断器的热扩散，熔断器内部实现了热的累积，当温度累积到一定的程度，会导致熔断器的熔体从金属状态转为液态，这一过程为弧前阶段（t）。为了达到这种条件的2称为弧前2。如果此时熔断器继续熔断过程，则熔断器拉弧，并继续吸收能量，直到电弧熄灭，熔断器彻底断路，这一过程为燃弧阶段（t）。在这一过程中的2称之为电弧2。

图1 直流组网系统直流主干网等效电路

图2 熔断器结构示意图

在弧前阶段，熔断器是可恢复的，并没有受到损伤；在熔断器达到弧前2之后，熔断器内部起弧并损伤，无法继续使用。

参见图3，弧前阶段中熔断器等效阻值较小，短路电流主要由系统阻抗决定，电流波形按照预期短路电流波形持续上升。燃弧阶段会产生电弧，熔断器等效阻值非常大，短路电流在起弧瞬间达到最大值，即切断电流（Cut-off current），起弧后短路电流会偏离预期短路电流并逐渐减小。整个熔断时间t之后，短路电流过零，熔断器电弧电压与短路点残余电压相同，熔断器将故障回路从系统中切除。

图3 短路故障时电压和电流曲线

2 熔断器熔断试验

为了验证熔断器熔断特性和对回路电流的影响，做了多组针对多型熔断器的短路放电试验。试验回路如下：

图4 电容-熔断器放电试验主回路

首先经过调压器和二极管整流桥对直流母线支撑电容充电，待充电到试验电压后，断开K2，闭合K3，模拟直流短路过程，试验中测量电容电压、回路电流和熔断器两端电压。

其放电回路等效电路如图5。

被测熔断器型号西安开尔泰电力电子制造有限公司KHD3-K-400A/750V以及KHD3- K-630 A/750 V两款熔断器。典型试验波形如图6、图7。

图5 熔断器试验等效电路

3 仿真建模原理

熔断器可以等效为一个可变电阻的模型，如图8所示。

熔断器电感由其结构决定，相比线路电感非常小且相对固定，将其等效为固定电感。

图6 未熔断时的试验波形

图7 正常熔断试验波形

图8 熔断器等效模型

可变电阻模型以可变电压源为基础创建。在正常工况下熔断器等效阻值较小，在短路状态时，通常有大量的电流流入熔断器，熔断器的温度急剧上升，其电阻随之增大；当到达弧前2后，熔体迅速汽化为气态并被激发，成为等离子态，受石英砂冷却和压力的影响，熔断器等效电阻迅速增大，回路电流迅速减小；当回路电流减小到0时，说明熔断器已经灭弧，完全断开。

由于熔断器的工作有明显的阶段区分，所以分阶段对熔断器等效电阻进行建模[4]：

1）正常运行阶段：熔断器通流在额定电流以下时，阻值不变；

2）弧前阶段：过流导致熔断器发热高于其自身散热，熔断器内部温度升高，阻值增大；判据：通流大于额定的电流的1.2倍。

3）燃弧阶段：部分熔芯融化、汽化、起弧，阻值迅速增大，电流出现拐点开始减小。判据：电流累积2达到弧前2；

4）熔断阶段：起弧的等离子体柱受到石英砂挤压降温熄灭，电流到零。判据：电流累积2达到熔断2（与当前熔断器两端电压有关），电流接近零。

根据以上分析，建立熔断器数值模型，使用该模型搭建试验回路与试验结果进行对比：

图9 574 V电容放电试验波形

由对比图可以看出熔断器仿真模型能够准确的模拟熔断器熔断外特性，可以带入系统模型对系统分析和设计工作提供参考。

4 小结

熔断器是直流组网电力推进系统中的关键元件，本文重点分析了直流组网系统中使用的熔断器的保护原理和特性，通过试验对其特性和关键参数进行了研究，并通过数值方法建立了熔断器的仿真建模，能够应用于直流组网电力推进系统的短路计算中。

[1] 张鹏, 石媛. 基于直流电网的船舶电力系统仿真研究[J]. 船电技术, 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] 杜晓牧. 光伏系统保护用熔断器的发展与应用[J].太阳能技术产品与工程, 2016 (8): 21-25.

[4] 吴迪, 李红江, 毕坤, 杨锋. 基于EMTDC_PSCAD的熔断器仿真模型[J]. 船电技术, 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，助理工程师，从事船舶电气相关专业。