卫星主功率通路短路故障下工作模式分析

章玄 侯睿 赵田 贺奉平 蒋硕 贠磊 李键

(中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)

随着航天器有效载荷功率的增加、一次母线电压不断提升，卫星大功率能源系统和高压一次母线的安全性引起了广泛关注。

卫星的主功率通路是指卫星太阳翼、蓄电池、电源控制器及其互联通路(含太阳翼驱动机构的功率通路)，还包括供电电缆在熔断器或其他保护电路之前的部分。卫星的主功率通路一旦发生短路故障，因为没有有效的短路保护措施，可能会对整星造成灾难性的影响[1-2]。

文献[3-5]主要阐述了太阳翼、太阳翼驱动机构以及母线电弧故障的机理，并未详细说明短路后系统工作模式发生变化的过程。文献[6]阐述了卫星电源系统一次母线短路后母线电压的暂态特性、响应过程和影响因素，同时对熔断器保护导致母线电压跌落的影响因素和影响程度进行分析，并提出了相应的解决方案，但并未对没有有效的短路保护的主功率通路短路进行详细分析。

本文通过仿真分析了3种不同的卫星主功率通路短路故障下能源系统的工作模式变化过程，分析了其对能源系统的故障关联影响，为系统级故障容限能力分析提供支撑，进一步提升能源系统的健壮性。

1 卫星主功率通路短路故障模式分析

以较为复杂的高轨顺序开关分流调节器(S3R)全调节架构的电源系统为例，卫星主功率通路构成如图1所示。太阳翼不同分阵的电流通过太阳翼驱动机构中不同的电流环传输至电源控制器中的S3R调节器，形成稳定的100 V母线，两组蓄电池分别通过充电调节器(BCR)、放电调节器(BDR)进行充放电调节控制，形成稳定的母线。在异常情况下，母线电压低于蓄电池输出电压时，通过蓄电池正端和母线之间的二极管，蓄电池向母线放电提供能量。主误差放大器(MEA)通过母线电压的比例积分控制输出MEA信号，并采用三域调节方法对S3R、BCR、BDR进行控制，稳定母线电压[7]。

根据国际上有报告的主功率通路故障模式，极端情况分为3类：

(1)太阳翼驱动机构在极端、偶发或超期服役状态下，可能导致环间短路故障，如图1所示故障F1；

(2)一次母线在有多余物或多重故障状态下导致的对结构短路，如图1所示故障F2；

(3)地面电缆由于长时间、多次重复使用、多余物等，极端情况下存在其中100 V母线采样和蓄电池短路的风险，如图1所示故障F3。

2 太阳翼驱动机构环间短路故障分析

目前卫星普遍采用S3R母线调节方式，供电的分阵正环电压接近100 V，被分流的分阵正环电压接近0 V，处于调节的分阵正环电压处于0 V/100 V动态变化过程中。不妨以太阳翼驱动机构中滑环正、负分置两面且滑环与分阵编号顺序对应排列为例，导电环间存在约100 V的电压差的可能性。此时，假设存在功率环间的短路，根据分流调节的状态，存在调节环与分流环、调节环与供电环、分流环与供电环短路3种状态。

基于上述分析，建立系统仿真功率通路模型，如图2所示。南翼分阵为单数编号、北翼分阵为双数编号，单个分阵短路电流为4.5 A，单个分阵的寄生电容为500 nF。分流管的非理想特性不影响系统工作状态的变化，因此不妨将分流管的模型等效成理想开关模型。因短路阻抗模型只影响短路环间的压差，不影响系统工作状态的变化，不妨设短路阻抗为0。初始状态下，分流级1～6号处于分流状态，分流级7号处于调节状态，分流级8～10号处于供电状态。

1)调节环与分流环短路

仿真调节环与分流环短路的状态，即图2中S1与S11短接，S2与S21短接，仿真波形如图3所示。在0.06 s将分流级7号与5号短路，则分流级7号对应的太阳翼分阵电流也通过分流级5号分流，主误差放大信号降低，从而使得分流级6号由分流状态进入分流调节状态。由于短路电流从导电环7号流入导电环分流级5号，因此导电环7号的电压略高于导电环5号，压差由短路特性决定。若0.07 s，短路消失，在短路未破坏环间绝缘的情况下，系统工作能恢复正常。

注：图中Bus为母线；Vbus为母线电压；SW1～SW10为分流级1～10的开关管编号；VSW5～VSW10为分流级5～10的开关状态；V5～V9为分流级5～9的输入电压；S11、S12、S13、S21、S22、S23为不同短路情况的短路点编号；S1、S2为连接短路控制开关两侧接点编号；ARC为短路控制开关的控制信号输入。

图3 调节环与分流环短路仿真结果

该情况下，由于两个分阵电流均通过单个分流级分流，超过单个分流级的分流能力，如果长时间工作在该状态，存在该分流级开关管击穿失去调节能力的风险。

2)调节环与供电环短路

仿真调节环与供电环短路的状态，即图2中S1与S12短接，S2与S22短接，仿真波形如图4所示。在0.06 s将分流级7号与9号短路，由于本身分流级7号处于调节状态，当其处于暂态分流时，分流级9号对应的太阳翼分阵电流也通过分流级7号分流；当其处于暂态供电时，分流级7号与9号均处于供电状态。因此，主误差放大信号略有降低，除极端情况外，短路后分流级7号仍处于调节状态，但分流态时间相比短路前减少。若0.07 s，短路消失，在短路未破坏环间绝缘的情况下，系统工作能恢复正常。

图4 调节环与供电环短路仿真结果

该情况下，由于存在两个分阵电流均通过单个分流级分流的工况，超过单个分流级的分流能力，而且处于开关状态下，此时分阵电容与分流级电感限流的匹配关系也会变化，导致调节过程瞬态电流应力增大和开关损耗增大，存在该分流级开关管击穿失去调节能力的风险。

3)分流环与供电环短路

仿真分流环与供电环短路的状态，即图2中S1与S13短接，S2与S23短接，仿真波形如图5所示。

图5 分流环与供电环短路仿真结果

在0.06 s将分流级6号与8号短路，此时分流级8号对应的太阳翼分阵电流通过分流级6号分流，使得主误差放大信号降低，从而处于调节状态的分流级由7号调整至6号，所以，当分流级6号处于暂态分流时，分流级8号对应的太阳翼分阵电流也通过分流级6号分流；当其处于暂态供电时，分流级8号与6号均处于供电状态。若0.07 s，短路消失，在短路未破坏环间绝缘的情况下，系统工作能恢复正常。

该情况下，由于存在两个分阵电流均通过单个分流级分流的工况，超过单个分流级的分流能力，而且也处于开关状态下，分阵电容与分流级电感限流的匹配关系变化，导致调节过程瞬态电流应力增大和开关损耗增大，存在该分流级开关管击穿失去调节能力的风险。

3 一次母线短路故障分析

典型的S3R全调节母线一次母线短路故障模型如图6所示,极端条件下在地影中，太阳翼无输出，蓄电池通过BDR向母线供电。典型BDR拓扑为He-boost拓扑，蓄电池和母线之间有直通二极管，母线电压低于蓄电池输出电压时，通过蓄电池正端和母线之间的二极管，蓄电池向母线放电提供能量。以短路点阻抗为0为例，讨论极端情况下一次母线短路故障发生后系统的工作模式及变化过程。其他BDR拓扑可采取类似方法进行分析。

注：图中Bus为母线，batS、batN分别为南、北蓄电池组输出接口；VBATS、VBATN分别为南、北蓄电池组输出电压，IDBY1～IDBY4为蓄电池至母线直通二极管电流;RP为满载等效电阻，K为一次短路等效开关，Ishort为一次母线电流;Idin1、Idin2分别为南、北蓄电池BDR下支路电流。

若一次母线在有多余物或多重故障状态下导致对结构短路的故障，在蓄电池至一次母线无完全断开的限流或过流保护时，仿真故障暂态过程，如图7所示，短路响应过程如下。

图7 一次母线短路故障仿真结果

(1)短路时刻t0，母线电流过大，母线电容开始大电流放电，母线电压迅速下降，母线短路电流超过BDR下支路限流输出极限；

(2)当母线电压跌落至蓄电池组电压，蓄电池组直通二极管开始工作，蓄电池组通过直通二极管输出至母线，若超过直通二极管电流极限或通路最薄弱的环节，t1/t2时刻，直通二极管或通路最薄弱环节将烧断；

(3)若短路点未消除，南北蓄电池组直通二极管开路，蓄电池组通过BDR上支路直通至母线，继续放电，BDR上支路与下支路通过电阻关系分流，直至t3/t4时刻下支路流过电流上升至过流保护点导致触发BDR输入过流保护锁定，BDR下支路无输出，蓄电池组通过BDR上支路输出至母线；

(4)若短路点仍未消除，所有BDR上支路烧毁开路，蓄电池组至母线通路断开，导致蓄电池到母线所有放电通路断开。

综上所述，在一次母线极端短路情况下，主要依靠母线电容放电提供瞬态电流和熔断能力，若一次母线短路无法瞬态熔断，主要依靠蓄电池至母线的直通通路提供熔断能力，该情况下，如果不进行保护，可能会导致蓄电池通路损失。

4 地面电缆一次母线与蓄电池短路故障分析

若地面电缆中由于多余物等，导致一次母线采样与蓄电池地面充放电电缆短路，在图6所述模型基础上，将一次母线短路模型调整为一次母线采样与蓄电池地面充放电电缆短路模型，如图8所示，不妨考虑有两组蓄电池组的复杂情况，蓄电池充放电通路上无隔离，短路通路等效阻抗r包括等效线缆阻抗和短路点的等效阻抗，考虑到线缆多点多线不同位置短路的情况，同时依据典型值，短路通路等效阻抗r可取20 mΩ～1 Ω，考虑不同阻抗的影响。

注：r为一次母线与蓄电池短路等效电阻。

仿真如图9所示。0.004 s时，发生一次母线采样与蓄电池正端短路，当短路等效阻抗取最小值20 mΩ时，母线被短路蓄电池钳位，未被短路的蓄电池通过BDR限流向母线放电，给被短路的蓄电池充电，因此母线电压略高于被短路的蓄电池电压。短路通路上存在大电流通过，采样线可能被过流烧毁。

图9 地面电缆一次母线与蓄电池短路故障仿真结果

当短路通路等效电阻r不断增大，短路通路电流减小，在BDR限流能力内，则母线电压仍能维持100 V，如果短路点不消失，蓄电池与母线的短路通路可以等效为母线的负载，在短路点热耗不会导致故障扩散的情况下，系统仍能维持正常工作。

5 保护改进设计

基于卫星主功率通路短路故障工作模式及其对能源系统的影响，能源系统可针对性设计保护措施如下：

(1)对于太阳翼分阵间短路导致的过流，设计分流级过流保护策略，当过流管过流后，通过关断分流管实现对分流级自身的保护；

(2)对于一次母线短路可能导致放电通路损失，设计放电通路保护策略或研究新型隔离限流拓扑，使得太阳翼展开后熔断短路通路整星可以恢复业务；同时在整星可接受的条件下，尽量将负载端保护前移，有条件情况下可集成在电源控制器(PCU)内部；

(3)增加地面通路的隔离保护措施，确保故障不会蔓延。

6 结束语

针对卫星主功率通路短路故障暂态响应复杂难以分析的问题，本文分别建立了太阳翼驱动机构环间短路故障、一次母线短路故障、地面电缆一次母线与蓄电池短路故障等3种主功率通路短路故障的仿真模型，通过最坏情况分析，合理优化了模型规模，并基于仿真分析了3种主功率通路故障模式后能源系统的工作模式及响应过程。基于仿真结果，分析了3种主功率通路短路故障对能源系统的可能的关联性影响，为卫星能源系统故障容限能力分析提供支撑。此外，本文提出增加分流级过流保护策略、放电通路保护策略和地面通路的隔离保护措施的解决方案，可进一步提升能源系统的健壮性。