丁振林 徐国顺

（1.海军装备部，北京 100000； 2.海军工程大学电气工程系，武汉 430033）

1 引言

随着现代舰船电气化程度的快速提高，舰船电网的容量不断增大，对其保护设备的要求越来越高。传统的框架式断路器由于其动作速度慢、固有动作时间较长，往往需要几十毫秒才能分断电路，不仅不能对短路电流起有效的抑制作用，而且短路电流峰值会超过断路器的极限分断能力，使断路器无法分断，给系统带来极大的危害[1]。为了解决这个问题，通常采用能够快速动作且具有限流能力的断路器作为现代大容量舰船电网的保护设备。

目前高速限流型断路器主要有无弧型混合式高速限流断路器和电弧型高速限流型断路器。混合式高速限流断路器是在高速机械开关支路上并联大功率的电力电子器件，通过控制电力电子器件的通断来实现机械开关支路上的零电流关断。目前国内外已开展了大量针对混合式高速限流断路器的相关研究[2-5]。本文研制出直流320 V/3000 A的混合式高速限流断路器样机并完成了短路分断的验证实验，实验结果表明所研制的混合式高速限流断路器具有高限流分断能力，能够满足现代舰船大容量电网对保护设备的要求。

2 限流断路器原理及试验

直流限流断路器主要由高速触头操动机构、固态开关电路、分合闸线圈驱动电路，检测控制电路四部分组成，如图1所示。正常运行时，主回路电流从高速触头操动机构上流过，触头接触电阻为微欧级，装置功耗极小；发生短路故障时，控制电路给分闸线圈信号，高速触头机构中的触头快速分离，同时使固态开关中导通，电流从高速触头操动机构上自然转换至固态开关上，并由固态开关进行分断，由于固态开关的存在，触头操动机构是在零电压条件下无弧分断的。当直流限流断路器分断后，它能智能判断短路故障是否解除，如果故障已解除，限流器能在几十毫秒内快速重合闸，恢复系统供电。该断路器的优点在于额定通流量大、正常运行损耗低、无弧分断、分断速度快、智能重合闸。

图1 直流限流断路器

CH1为电流波形（4000 A/格），

CH4为电压波形（500 V/格）

进行了脉冲电源的直流限流断路器样机短路限流试验，图2为样机的换流分断试验波形。控制策略是当短路电流到达5 kA时，限流断路器开始限流分断，短路电流峰值被限制到16.8 kA，开关两端产生的过电压被限制到900 V。从试验波形可以计算出短路电流上升率为21 A/μs，主回路电流到零时刻电容上剩余电压为320 V。

3 应用案例

3.1 电源内部短路保护

新型直流限流断路器在舰船电力系统中的一种应用方案如图3所示，直流限流断路器安装于每台充电发电机出口端，可以对系统内部和外部短路故障进行保护。当系统发生内部短路故障时（图3），对应支路的限流断路器在t1时间里（1～2 ms）快速分断限流，保证了电网的电能品质，而常规断路器分断时间大于30 ms（t3），且分断时电流巨大，如图4所示。

图3 新型直流限流断路器应用方案

图4 内部短路故障时，有无限流断路器对比

3.2 电网短路限流及快速恢复

当系统发生外部短路故障时（图3），无限流断路器时短路点的预期短路电流为，isc=i电池+i充发×2限流断路器可将两个充发支路的电流限流分断，限流后的短路电流isc=i电池，故障支路开关S经过动作延时后在t2时刻分断，到t3时刻限流断路器重新合闸，使系统恢复供电，如图5所示。

图5 外部短路故障时，有无限流断路器对比

4 结论

针对舰船电力系统，开展了直流限流断路器的相关研究，研制出直流320 V/3000 A的高速限流断路器样机并进行了短路分断的验证实验。对舰船系统安装直流限流断路器方式进行了分析，结果表明该新型直流限流断路器能够满足现代舰船大容量电网对保护设备的要求。

[1]庄劲武, 张晓锋, 杨锋, 等. 船舶直流电网短路限流装置的设计与分析. 中国电机工程学报. 2005, 25(20):26-30.

[2]王晨, 张晓锋, 庄劲武, 等. 新型混合式限流断路器设计及其可靠性分析. 电力系统自动化, 2008,32(12):61-67.

[3]王晨, 庄劲武, 张晓锋, 等. 混合型限流断路器在高短路电流上升率时换流试验分析. 电力系统自动化.2009, 33(16): 65-69.

[4]Steurer M，Ferohlich K，Holaus W，et al.A Novel Hybrid Current-limmiting Circuit Breaker for Medium Voltage: Principle and Test Results[J].. IEEE Trans on Power Delivery, 2003, 14(5): 778-781.

[5]Jean-Marc Meyer，Alfred Rufer.A DC hybrid circuit breaker with ultra-fast contact opening and integrated gate-commutated thyristors (IGCTs).IEEE Trans. on Power Delivery，2006，21（2）：646-651.