吳大立 潘德華 黃超 徐正喜

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064)

1 引言

在以整流發(fā)電機(jī)[1-3]為供電電源的船舶直流電力系統(tǒng)中，為了檢驗(yàn)斷路器、熔斷器等保護(hù)裝置的分?jǐn)嗄芰虮Ｗo(hù)特性，需要具備整流發(fā)電機(jī)短路電流模擬的條件。一般，模擬短路電流的主要方法有：網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)法，短路發(fā)電機(jī)回路試驗(yàn)法及 LC振蕩回路法[4-6]等，比較而言，LC振蕩回路法具有裝置設(shè)備簡(jiǎn)單、投資費(fèi)用較少、操作方便、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，雖然只能做單相試驗(yàn)，卻能滿足整流發(fā)電機(jī)短路電流模擬的需要。

2 LC振蕩回路基本原理分析

LC振蕩回路產(chǎn)生短路電流的基本原理是：將電容 C充電后，經(jīng)過(guò)電感 L放電，產(chǎn)生一定頻率的振蕩電流。將被測(cè)試開關(guān)串聯(lián)在放電回路中，只要適當(dāng)?shù)剡x擇電容 C和電感 L值，即可利用LC諧振原理得到所需規(guī)模的短路電流。

圖1 LC振蕩回路原理圖

如圖1所示，開關(guān)S斷開時(shí)，已知電容被充電至0U 。開關(guān)S閉合后，電容C放電，則電路可用微分方程描述為：

從式（3）與式（4）可知，短路電流峰值的大小與電容初始電壓、電感及電容有關(guān)；電流的峰值時(shí)間主要取決于電感和電容的乘積；電感則決定了初始電流上升率。

3 整流發(fā)電機(jī)短路電流模擬

3.1 基本要求

某以整流發(fā)電機(jī)為供電電源的船舶直流電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 船舶直流電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該電力系統(tǒng)中，直流負(fù)載支路（逆變器、斬波器）采用短路限流型熔斷器[7]作為直流側(cè)保護(hù)器件，為了驗(yàn)證限流型熔斷器的保護(hù)性能，需模擬整流發(fā)電機(jī)的短路電流特性，由于限流型熔斷器的動(dòng)作速度很快(ms級(jí))，一般在短路電流上升階段即可切除故障，因此模擬時(shí)主要考慮短路電流升至電流峰值的這一初始階段。

3.2 參數(shù)計(jì)算

3.2.1周期及頻率計(jì)算

根據(jù)實(shí)際短路試驗(yàn)結(jié)果，直流負(fù)載支路短路時(shí)，整流發(fā)電機(jī)提供短路電流峰值 Ipk約為 22 kA，峰值時(shí)間tpk約為4 ms。利用LC振蕩回路模擬該短路電流時(shí)可使得其產(chǎn)生的衰減正弦振蕩電流在第一個(gè)1/4周期時(shí)達(dá)到峰值，因此：

周期T=16 ms，

角頻率 ω = 2π /T =392.7rad/s。

3.2.2 電感計(jì)算

取電容初始充電電壓U0為1000 V，根據(jù)式(3)，在電流峰值Ipk處有如下關(guān)系：

可得：

?。篖=100 μH。

3.2.3 電容計(jì)算

取：C=60 mF。

(4)電阻計(jì)算

由于回路電阻主要取決于電感電阻，而實(shí)際設(shè)計(jì)100 μH空心電感電阻約2～3 mΩ。

?。?R = 3 mΩ。

3.3 仿真驗(yàn)證

振蕩回路參數(shù)計(jì)算完成后，利用 MATLAB建立仿真模型對(duì)參數(shù)選擇的正確予以驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 短路電流模擬仿真結(jié)果

圖3給出了模擬短路電流約在 4ms達(dá)到峰值 23 kA，表明 LC振蕩回路主要參數(shù)計(jì)算正確，其產(chǎn)生的整流發(fā)電機(jī)模擬短路電流與實(shí)際短路電流在初始階段特性基本一致，可較好滿足電力系統(tǒng)保護(hù)特別是快速性保護(hù)試驗(yàn)的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

利用LC振蕩回路模擬整流發(fā)電機(jī)短路電流并開展船舶直流電力系統(tǒng)保護(hù)試驗(yàn)，主要有如下特點(diǎn)：

1) 通過(guò)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)或選取，LC振蕩回路能產(chǎn)生與整流發(fā)電機(jī)初始階段特性基本一致的短路電流。

2) 利用 LC振蕩回路進(jìn)行船舶直流電力短路保護(hù)試驗(yàn)，具有投資少，試驗(yàn)過(guò)程短及可多次重復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。

3) 基于 LC振蕩回路原理研制的船舶直流電力系統(tǒng)保護(hù)試驗(yàn)臺(tái)架目前已完成初步測(cè)試工作，其參數(shù)調(diào)整靈活，最大可實(shí)現(xiàn)50 kA的短路電流模擬，將為船舶直流電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的研究提供重要的試驗(yàn)平臺(tái)支撐。

[1]蔣水玲, 陳堅(jiān), 嚴(yán)德恒. 斯特林整流發(fā)電機(jī)脈動(dòng)電流對(duì)主電網(wǎng)影響的研究[J]. 船電技術(shù),2002,3：1-6.

[2]王化福. 整流發(fā)電機(jī)中的均衡電抗器[J]. 船電技術(shù),2001,4：23-26.

[3]馬偉明, 胡安, 袁立軍. 十二相同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)直流側(cè)突然短路的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999, 19(3)：31-36.

[4]葉鵬, 陳沖, 吳桂初. 檢測(cè)塑殼斷路器瞬時(shí)保護(hù)特性的新方法[J]. 低壓電器, 2010,8： 43-46.

[5]丁少純. LC振蕩回路模擬FSR短路開斷試驗(yàn)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2006, 26(2)： 98-100.

[6]錢家驪, 關(guān)永剛. 振蕩回路應(yīng)用的擴(kuò)展[J]. 高壓電器, 2004, 40(2)：142-143.

[7]戴超, 莊勁武, 楊鋒, 蔣小偉, 王晨. 高壓混合型限流熔斷器用電弧觸發(fā)器的弧前特性[J]. 高電壓技術(shù),2010, 36(2)： 350-355.