针对舰船直流综合电力系统中低阻抗故障和电力电子设备的保护方案

王庆红，陈松林

1 中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

2 海军装备部，北京 100841

0 引言

随着电力电子技术的发展和应用，直流综合电力系统已成为近年来不少海军强国研究的重点。采用直流综合电力系统优点很多，如可使发电机的运行频率不受用电设备对频率的严格限制，实现发电机和整流设备成本、体积和重量的最佳化、集成化［1］；能彻底摆脱发电机与电动机之间的转速耦合；通过保护和重构方案的合理设计，能够实现当电源设备发生故障时不间断转换电源。

综合电力系统的系统容量大，推进电机功率等级高，一般须选用中压电制。对于直流综合电力系统，其发电设备应为直流电源，目前的研究工作多选择直流整流发电机或燃料电池。12相交流整流发电机是将12相交流发电机和12相整流装置、励磁系统及闭式循环的海水冷却器集成一体，成为综合电力系统中一种成熟的发电模块［1］。电力电子器件为整流装置的核心器件。同时，直流综合电力系统中电压的转换，以及交流用电设备端的逆变装置均需采用电力电子器件。可见，舰船直流综合电力系统从发电、变电和配电等各个环节均采用了电力电子设备，使整个系统的构成主体较传统电力系统发生了较大的改变，电力传输特性与以往有所不同。

因此，分析直流综合电力系统的故障，不仅需要考虑常规直流系统的热效应故障（如过载和低阻抗故障），还需要考虑电力电子设备的保护需求［2］。

1 舰船直流综合电力系统保护需求

当直流综合电力系统发生低阻抗故障时，保护设计首先须分析、计算短路电流。

由于整流装置的非线性，现有计算方法的误差较大，因此，国内、外大多通过反复破坏性试验来确定其最大短路电流和冲击转矩［1］。

若采用12相交流整流发电机作为直流电源，12相整流装置直流侧突然短路，则对交流侧而言，可等效12相交流绕组突然短路，从而求出3相整流桥交流侧各相短路电流的表达式；再考虑整流元件的单向导电性，可得到各3相整流桥直流侧电流Idci（i=1，2，3，4，为4套绕组的序号）的表达式，最后，将它们按一定的相位关系合成，便可得到直流侧短路电流的峰值［1］。

12相交流整流发电机的电枢绕组由4套互移15°、Y联接的三相绕组构成。以a相为例，其交流侧短路电流表达式［3］为

式中：u0m为空载相电压幅值；θ0为短路起始角；xd，和分别为直轴的暂态电抗、瞬态电抗和超瞬态电抗；xq，和分别为交轴的暂态电抗、瞬态电抗和超瞬态电抗；Ta，和分别为直流分量时间常数、瞬态分量时间常数和超瞬态分量时间常数。

可令u0m=4000 V，=0.39 Ω ，则

直流侧电流为4个三相整流桥直流侧电流之和，即

可选 Idci=-Iai，则有

综合式（3）和式（6），可得

根据式（3）和式（7），基于12相交流整流发电机，将产生最大约20 kA的交流短路电流和近80 kA的直流短路电流。

目前，船用交流断路器的分断电流已经达到100 kA以上，能够满足船用直流综合电力系统交流侧的保护需求；而直流断路器的技术和工艺较交流断路器的复杂，其极限分断电流低于交流断路器。直流断路器是直流系统保护长期以来的一大难题。

电力电子设备由电力电子器件、主电回路和控制回路组成。随着电力电子技术的发展，绝缘门极双极型晶体管（IGBT）能够满足高电压、大电流的应用需求，从而得以广泛应用［4］。

本文在分析电力电子设备的保护需求时，主要是以IGBT器件的特性为基础。由于电力电子器件的过载能力较低，因此设备必须具备限流功能，以保护设备在线路发生短路时不被损坏。一般大容量IGBT的过载能力通常只能在10 μs以内承受5～6倍的额定电流［5］，因此，线路上的保护需尽可能快速动作，特别是当设备内部发生故障时，需能在10 μs内迅速隔离故障。通常，电子保护电路可以作为第一保护措施，当检测到过电流超过电力保护电流的整定电流值时，将封锁驱动信号，关断开关器件，从而切断过流故障［3］。

电力电子器件在工作中有开通、通态、关断和断态4种工作状态。在开通和关断状态下，过大的di/dt和du/dt可能会导致电力电子器件损坏。因此，在电力电子设备中须设置di/dt和du/dt抑制电路［4］。

电力电子设备中的IGBT及其控制电路实现模块化设计较为方便。采用模块化设计并在设备中设置一定数量的冗余模块后，当某个或数个IGBT模块发生故障不能自我保护时，系统仍可正常工作，损坏的模块可以在下次检修时更换［6］。此时，还需考虑模块之间的均流与均压问题［4］。

2 舰船直流综合电力系统保护方案

2.1 直流综合电力系统的保护

根据前面对直流综合电力系统故障的分析，直流主网络的保护需考虑以下方面：

1）电力电子设备内部采用模块化设计，并设置冗余模块。

2）电力电子设备内部串、并联模块间需考虑均压和均流。

3）直流综合电力系统中各级电力电子设备的内部模块应能自动探测并隔离故障［2］，并对du/dt和di/dt进行控制，同时应具有限流功能。

4）网络中各级电力电子设备中的参数设置需从系统保护协调性的角度出发，综合分析，合理配置。

5）断路器等保护装置的参数设置需充分考虑电力电子器件的参数选择，从而保证系统保护的选择性［7］。

6）系统设计时，应考虑具备系统速动（微秒级）保护功能以防止事故扩大。

7）系统的每一保护装置均应能承受和断开在其安装点上可能产生的最大短路电流，需要足够的分断能力。

8）电路应能承受由于保护装置的延时动作而产生的热效应和电动力效应。

9）自动探测电路须严格划清系统允许的动态值与不允许的故障值之间的界限。在系统正常工作或设备允许的短时过载范围内，保护装置不应发生误动作；当故障参数大于设定的临界值时，保护器件应能有效动作。目前，有研究采用电流变化率和幅值相结合的检测整定方法［8］，较为有效。

10）为减小直流断路器分断电流的压力，可考虑设置限流器［9］。

11）根据系统保护的要求，以及电力电子设备所在的不同环节，合理选择其上级保护器械的时限特性，如反时限特性、定时限特性、综合时限特性等。

综上所述，由于直流综合电力系统的结构特点，系统的保护功能能够分布于各个设备的模块中，模块内部参数设置也因此对系统的保护产生直接影响。

2.2 交流配电网络的保护

交流电力系统的保护技术已比较成熟，相关标准规范也较为完善。基于船用直流综合电力系统的交流配电网络可参考相应的交流系统保护技术。具体可参考相关的国家标准，如GB 10963.2-2003断路器标准、GB 10963.1-2005过流保护标准等。

3 系统保护器件

由前文分析可知，针对综合直流电力系统的低阻抗故障和电力电子设备的系统保护器件主要包括直流断路器和限流器，且对直流断路器来讲，具有高短路分断能力和微秒级速动的要求。

3.1 直流断路器

交流断路器可通过过零开断等方式减少甚至是避免电弧对保护器件的冲击，而直流断路器则必须具有在电流和电压较大时断开电路的能力，从而增加了其设计和选型的难度。

目前，较常用的直流断路器多为机械式断路器（MCB），即空气断路器。直流空气断路器的最大通断能力较小，而若提高断路器的设计电压等级，其最大电流通断能力将受负面影响，反之亦然。目前，国内的空气断路器一般只能做到1000 V/100 kA，电压等级较低；国外虽然可以做到4000 V/40 kA，电压等级基本满足直流区域配电综合电力系统的要求，但电流分断能力离式（7）所示80 kA的要求还相差甚远［10］。

近年来开发应用的固态断路器具有一些优势，如分段电流快、保护阈值低、电流变化率可检测、噪音低、抗电磁干扰能力强、维护费用省，以及没有断路器拉弧等［11-12］，其理论动作反应时间和抗干扰能力均优于机械式断路器。同时，采用功率器件作为核心部件有利于实现双向可控的开关保护［12-13］。

另外，将机械式断路器和电力电子开关固态断路器（SSCB）组合成混合式断路器（HCB）可使两者的优缺点互补，从而构成较为理想的新型断路器［7］。

3.2 直流限流器

限流器被经常用于交流电网中。当多台发电机并联工作的大电网短路时，可采用限流熔断器将大电网分成若干个小电网，从而将机组分割，减小短路电流。

系统短路时，系统内的能量传输会造成系统电流瞬时升高。在实船上这种能量传输十分复杂，致使保护系统的实现相当困难。目前，还没有直流限流器的相关规范标准。根据研究成果，采用限流技术对造成瞬态波动的电流进行限制，并应用防浪涌装置，对超压保护均具有积极的作用［14-15］。

直流综合电力系统主回路上的巨大短路电流很可能导致整个系统崩溃。在适当回路配置限流器可减小主回路的短路电流，保证系统安全。高温超导限流器将成为未来电力系统重要的保护器件之一［16-17］。

4 结 语

本文针对舰船直流综合电力系统，从故障特点出发，对短路电流保护需求、系统保护方案和保护器件等多个方面进行了分析。直流综合电力系统的直流网络短路电流很大，且无法进行过零保护，从而增加了直流保护器件的设计和制造难度，设计开发新型的直流保护器件，提高直流电路的极限分断能力是直流综合电力系统发展的前提。

由于系统的保护功能与电力电子设备内部模块的参数设置密切相关，因而全系统的保护设计将成为直流综合电力系统的设计难点。

可见，直流综合电力保护系统既需要从系统方面继续探索和完善保护方案，还急切需要提高保护器件的极限分断能力，开发高级、新型的直流断路器，以满足系统保护的需求。

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