王慶紅，陳松林

1 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

2 海軍裝備部，北京 100841

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，直流綜合電力系統(tǒng)已成為近年來不少海軍強國研究的重點。采用直流綜合電力系統(tǒng)優(yōu)點很多，如可使發(fā)電機的運行頻率不受用電設(shè)備對頻率的嚴格限制，實現(xiàn)發(fā)電機和整流設(shè)備成本、體積和重量的最佳化、集成化［1］；能徹底擺脫發(fā)電機與電動機之間的轉(zhuǎn)速耦合；通過保護和重構(gòu)方案的合理設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)電源設(shè)備發(fā)生故障時不間斷轉(zhuǎn)換電源。

綜合電力系統(tǒng)的系統(tǒng)容量大，推進電機功率等級高，一般須選用中壓電制。對于直流綜合電力系統(tǒng)，其發(fā)電設(shè)備應(yīng)為直流電源，目前的研究工作多選擇直流整流發(fā)電機或燃料電池。12相交流整流發(fā)電機是將12相交流發(fā)電機和12相整流裝置、勵磁系統(tǒng)及閉式循環(huán)的海水冷卻器集成一體，成為綜合電力系統(tǒng)中一種成熟的發(fā)電模塊［1］。電力電子器件為整流裝置的核心器件。同時，直流綜合電力系統(tǒng)中電壓的轉(zhuǎn)換，以及交流用電設(shè)備端的逆變裝置均需采用電力電子器件?？梢?，艦船直流綜合電力系統(tǒng)從發(fā)電、變電和配電等各個環(huán)節(jié)均采用了電力電子設(shè)備，使整個系統(tǒng)的構(gòu)成主體較傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)生了較大的改變，電力傳輸特性與以往有所不同。

因此，分析直流綜合電力系統(tǒng)的故障，不僅需要考慮常規(guī)直流系統(tǒng)的熱效應(yīng)故障（如過載和低阻抗故障），還需要考慮電力電子設(shè)備的保護需求［2］。

1 艦船直流綜合電力系統(tǒng)保護需求

當(dāng)直流綜合電力系統(tǒng)發(fā)生低阻抗故障時，保護設(shè)計首先須分析、計算短路電流。

由于整流裝置的非線性，現(xiàn)有計算方法的誤差較大，因此，國內(nèi)、外大多通過反復(fù)破壞性試驗來確定其最大短路電流和沖擊轉(zhuǎn)矩［1］。

若采用12相交流整流發(fā)電機作為直流電源，12相整流裝置直流側(cè)突然短路，則對交流側(cè)而言，可等效12相交流繞組突然短路，從而求出3相整流橋交流側(cè)各相短路電流的表達式；再考慮整流元件的單向?qū)щ娦?，可得到?相整流橋直流側(cè)電流Idci（i=1，2，3，4，為4套繞組的序號）的表達式，最后，將它們按一定的相位關(guān)系合成，便可得到直流側(cè)短路電流的峰值［1］。

12相交流整流發(fā)電機的電樞繞組由4套互移15°、Y聯(lián)接的三相繞組構(gòu)成。以a相為例，其交流側(cè)短路電流表達式［3］為

式中：u0m為空載相電壓幅值；θ0為短路起始角；xd，和分別為直軸的暫態(tài)電抗、瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗；xq，和分別為交軸的暫態(tài)電抗、瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗；Ta，和分別為直流分量時間常數(shù)、瞬態(tài)分量時間常數(shù)和超瞬態(tài)分量時間常數(shù)。

可令u0m=4000 V，=0.39 Ω ，則

直流側(cè)電流為4個三相整流橋直流側(cè)電流之和，即

可選 Idci=-Iai，則有

綜合式（3）和式（6），可得

根據(jù)式（3）和式（7），基于12相交流整流發(fā)電機，將產(chǎn)生最大約20 kA的交流短路電流和近80 kA的直流短路電流。

目前，船用交流斷路器的分斷電流已經(jīng)達到100 kA以上，能夠滿足船用直流綜合電力系統(tǒng)交流側(cè)的保護需求；而直流斷路器的技術(shù)和工藝較交流斷路器的復(fù)雜，其極限分斷電流低于交流斷路器。直流斷路器是直流系統(tǒng)保護長期以來的一大難題。

電力電子設(shè)備由電力電子器件、主電回路和控制回路組成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）能夠滿足高電壓、大電流的應(yīng)用需求，從而得以廣泛應(yīng)用［4］。

本文在分析電力電子設(shè)備的保護需求時，主要是以IGBT器件的特性為基礎(chǔ)。由于電力電子器件的過載能力較低，因此設(shè)備必須具備限流功能，以保護設(shè)備在線路發(fā)生短路時不被損壞。一般大容量IGBT的過載能力通常只能在10 μs以內(nèi)承受5～6倍的額定電流［5］，因此，線路上的保護需盡可能快速動作，特別是當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時，需能在10 μs內(nèi)迅速隔離故障。通常，電子保護電路可以作為第一保護措施，當(dāng)檢測到過電流超過電力保護電流的整定電流值時，將封鎖驅(qū)動信號，關(guān)斷開關(guān)器件，從而切斷過流故障［3］。

電力電子器件在工作中有開通、通態(tài)、關(guān)斷和斷態(tài)4種工作狀態(tài)。在開通和關(guān)斷狀態(tài)下，過大的di/dt和du/dt可能會導(dǎo)致電力電子器件損壞。因此，在電力電子設(shè)備中須設(shè)置di/dt和du/dt抑制電路［4］。

電力電子設(shè)備中的IGBT及其控制電路實現(xiàn)模塊化設(shè)計較為方便。采用模塊化設(shè)計并在設(shè)備中設(shè)置一定數(shù)量的冗余模塊后，當(dāng)某個或數(shù)個IGBT模塊發(fā)生故障不能自我保護時，系統(tǒng)仍可正常工作，損壞的模塊可以在下次檢修時更換［6］。此時，還需考慮模塊之間的均流與均壓問題［4］。

2 艦船直流綜合電力系統(tǒng)保護方案

2.1 直流綜合電力系統(tǒng)的保護

根據(jù)前面對直流綜合電力系統(tǒng)故障的分析，直流主網(wǎng)絡(luò)的保護需考慮以下方面：

1）電力電子設(shè)備內(nèi)部采用模塊化設(shè)計，并設(shè)置冗余模塊。

2）電力電子設(shè)備內(nèi)部串、并聯(lián)模塊間需考慮均壓和均流。

3）直流綜合電力系統(tǒng)中各級電力電子設(shè)備的內(nèi)部模塊應(yīng)能自動探測并隔離故障［2］，并對du/dt和di/dt進行控制，同時應(yīng)具有限流功能。

4）網(wǎng)絡(luò)中各級電力電子設(shè)備中的參數(shù)設(shè)置需從系統(tǒng)保護協(xié)調(diào)性的角度出發(fā)，綜合分析，合理配置。

5）斷路器等保護裝置的參數(shù)設(shè)置需充分考慮電力電子器件的參數(shù)選擇，從而保證系統(tǒng)保護的選擇性［7］。

6）系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)考慮具備系統(tǒng)速動（微秒級）保護功能以防止事故擴大。

7）系統(tǒng)的每一保護裝置均應(yīng)能承受和斷開在其安裝點上可能產(chǎn)生的最大短路電流，需要足夠的分斷能力。

8）電路應(yīng)能承受由于保護裝置的延時動作而產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)。

9）自動探測電路須嚴格劃清系統(tǒng)允許的動態(tài)值與不允許的故障值之間的界限。在系統(tǒng)正常工作或設(shè)備允許的短時過載范圍內(nèi)，保護裝置不應(yīng)發(fā)生誤動作；當(dāng)故障參數(shù)大于設(shè)定的臨界值時，保護器件應(yīng)能有效動作。目前，有研究采用電流變化率和幅值相結(jié)合的檢測整定方法［8］，較為有效。

10）為減小直流斷路器分斷電流的壓力，可考慮設(shè)置限流器［9］。

11）根據(jù)系統(tǒng)保護的要求，以及電力電子設(shè)備所在的不同環(huán)節(jié)，合理選擇其上級保護器械的時限特性，如反時限特性、定時限特性、綜合時限特性等。

綜上所述，由于直流綜合電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，系統(tǒng)的保護功能能夠分布于各個設(shè)備的模塊中，模塊內(nèi)部參數(shù)設(shè)置也因此對系統(tǒng)的保護產(chǎn)生直接影響。

2.2 交流配電網(wǎng)絡(luò)的保護

交流電力系統(tǒng)的保護技術(shù)已比較成熟，相關(guān)標(biāo)準規(guī)范也較為完善?；诖弥绷骶C合電力系統(tǒng)的交流配電網(wǎng)絡(luò)可參考相應(yīng)的交流系統(tǒng)保護技術(shù)。具體可參考相關(guān)的國家標(biāo)準，如GB 10963.2-2003斷路器標(biāo)準、GB 10963.1-2005過流保護標(biāo)準等。

3 系統(tǒng)保護器件

由前文分析可知，針對綜合直流電力系統(tǒng)的低阻抗故障和電力電子設(shè)備的系統(tǒng)保護器件主要包括直流斷路器和限流器，且對直流斷路器來講，具有高短路分斷能力和微秒級速動的要求。

3.1 直流斷路器

交流斷路器可通過過零開斷等方式減少甚至是避免電弧對保護器件的沖擊，而直流斷路器則必須具有在電流和電壓較大時斷開電路的能力，從而增加了其設(shè)計和選型的難度。

目前，較常用的直流斷路器多為機械式斷路器（MCB），即空氣斷路器。直流空氣斷路器的最大通斷能力較小，而若提高斷路器的設(shè)計電壓等級，其最大電流通斷能力將受負面影響，反之亦然。目前，國內(nèi)的空氣斷路器一般只能做到1000 V/100 kA，電壓等級較低；國外雖然可以做到4000 V/40 kA，電壓等級基本滿足直流區(qū)域配電綜合電力系統(tǒng)的要求，但電流分斷能力離式（7）所示80 kA的要求還相差甚遠［10］。

近年來開發(fā)應(yīng)用的固態(tài)斷路器具有一些優(yōu)勢，如分段電流快、保護閾值低、電流變化率可檢測、噪音低、抗電磁干擾能力強、維護費用省，以及沒有斷路器拉弧等［11-12］，其理論動作反應(yīng)時間和抗干擾能力均優(yōu)于機械式斷路器。同時，采用功率器件作為核心部件有利于實現(xiàn)雙向可控的開關(guān)保護［12-13］。

另外，將機械式斷路器和電力電子開關(guān)固態(tài)斷路器（SSCB）組合成混合式斷路器（HCB）可使兩者的優(yōu)缺點互補，從而構(gòu)成較為理想的新型斷路器［7］。

3.2 直流限流器

限流器被經(jīng)常用于交流電網(wǎng)中。當(dāng)多臺發(fā)電機并聯(lián)工作的大電網(wǎng)短路時，可采用限流熔斷器將大電網(wǎng)分成若干個小電網(wǎng)，從而將機組分割，減小短路電流。

系統(tǒng)短路時，系統(tǒng)內(nèi)的能量傳輸會造成系統(tǒng)電流瞬時升高。在實船上這種能量傳輸十分復(fù)雜，致使保護系統(tǒng)的實現(xiàn)相當(dāng)困難。目前，還沒有直流限流器的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準。根據(jù)研究成果，采用限流技術(shù)對造成瞬態(tài)波動的電流進行限制，并應(yīng)用防浪涌裝置，對超壓保護均具有積極的作用［14-15］。

直流綜合電力系統(tǒng)主回路上的巨大短路電流很可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。在適當(dāng)回路配置限流器可減小主回路的短路電流，保證系統(tǒng)安全。高溫超導(dǎo)限流器將成為未來電力系統(tǒng)重要的保護器件之一［16-17］。

4 結(jié) 語

本文針對艦船直流綜合電力系統(tǒng)，從故障特點出發(fā)，對短路電流保護需求、系統(tǒng)保護方案和保護器件等多個方面進行了分析。直流綜合電力系統(tǒng)的直流網(wǎng)絡(luò)短路電流很大，且無法進行過零保護，從而增加了直流保護器件的設(shè)計和制造難度，設(shè)計開發(fā)新型的直流保護器件，提高直流電路的極限分斷能力是直流綜合電力系統(tǒng)發(fā)展的前提。

由于系統(tǒng)的保護功能與電力電子設(shè)備內(nèi)部模塊的參數(shù)設(shè)置密切相關(guān)，因而全系統(tǒng)的保護設(shè)計將成為直流綜合電力系統(tǒng)的設(shè)計難點。

可見，直流綜合電力保護系統(tǒng)既需要從系統(tǒng)方面繼續(xù)探索和完善保護方案，還急切需要提高保護器件的極限分斷能力，開發(fā)高級、新型的直流斷路器，以滿足系統(tǒng)保護的需求。

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