- 頭條浙大學者在中壓船舶直流供電系統限流開斷技術方面發表研究成果2022-02-14 作者：劉思奇、胡鵬飛 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語中壓直流供電系統是未來船舶供電的一個典型應用場景，中壓直流斷路器則是保障該供電系統安全可靠運行的關鍵設備之一。船舶供電系統的阻抗小，故障電流及其上升率大，故要求直流斷路器兼具故障限流與大容量開斷功能。浙江大學電氣工程學院、海軍工程大學電氣工程學院的研究人員劉思奇、胡鵬飛、江道灼、莊勁武，在2021年《電工技術學報》增刊1上撰文，首先簡述船舶供電系統的特點及直流故障的電流特性，然后重點介紹了基于固態開關分斷技術的全固態直流斷路器和混合型直流斷路器的研究進展，分析了它們的優缺點，并對它們在中壓船舶直流供電系統中的應用進行了工程和技術的可行性分析。最后對單向分斷新型強迫換流原理的混合型斷路器方案在10kV/5kA系統的應用進行了可行性分析，并對其工程應用需要攻克的難點及關鍵技術進行了展望。
近年來，中壓直流（Medium Voltage Direct Current, MVDC）被廣泛應用于電力推進、軌道交通、海上風電場及智能電網等領域。在船舶動力領域，將動力和電力技術深度融合的綜合電力系統（Integrated Power System, IPS）成為各國競相研究的焦點，其核心思想即以電能作為基本能量形態，通過綜合能量管理平臺實現負載能量需求的動態分配。采用MVDC技術路線的IPS具有結構簡單、高靈活性的優點，有利于降低電能損耗、提升傳輸效率、易于替代能源、儲能、武器系統集成，優化系統整體性能，代表著國內外船舶動力領域的發展方向。
目前，直流斷路器仍是解決直流故障保護問題的有效技術途徑，基于快速直流斷路器的保護方案，結合換流器及其他保護設備配合可以有效限制故障的進一步擴散，使系統具有更好的供電連續性和更強的生命力。與交流系統相比，直流系統的電流不存在自然過零點，因此直流開斷的實現更加困難，一直以來是直流電網發展的瓶頸之一。
直流斷路器的基本功能主要有：①穩定通流時，滿足絕緣和溫升要求，具有較低的通態損耗；②存在傳感和控制單元，具有故障檢測和邏輯判斷功能，當發生短路故障時，快速制造電流的過零點，從導通態迅速過渡到絕緣態，并且在該過程不發生損壞；③電流截止后，承受過電壓的沖擊而不被擊穿，快速耗散儲存在系統電感中的巨大能量；④可以實現快速重合閘。
目前中壓直流開斷技術主要有熔斷器、空氣式斷路器、固態斷路器（Solid-State Circuit Breaker, SSCB）和混合型直流斷路器（Hybrid DC Circuit Breaker, HDCCB）。
圖1 船舶直流供電系統示意圖
空氣式直流斷路器是由傳統交流斷路器發展而來的，已經相對成熟，產品化的純機械式直流斷路器，分斷可靠性高，分斷能力可高達百千安，在中低壓城市軌道交通直流系統中已廣泛使用，其原理是通過冷卻、拉長、切割電弧，建立與系統電源電壓相反的弧壓實現限流和開斷，電弧電壓必須高于一定電壓時電流才開始下降。
由于分斷所需的弧壓建立時間往往為ms級，因此其限流效果有限。同樣基于電弧電壓建立原理，熔斷器可在短路發生時迅速起弧抑制電流上升，但由于一次動作后需要更換部件，從而增加了系統的維護成本。
SSCB和HDCCB應用了先進的固態開關技術，得益于固態開關開微秒級的分斷速度，具有良好的限流效果，是目前電器科學領域研究的熱點。
針對未來船舶中壓直流電力系統大容量開斷、快速限流的保護需求，浙江大學等單位的科研人員對中壓限流開斷技術的研究進展進行了梳理，重點調研了基于固態開關技術的SSCB和HDCCB的研究現狀，并對它們應用于10kV/5kA系統中進行了工程和技術的可行性分析。
中壓限流斷路器的研制難點主要體現在其速動性及分斷過程中較高的電流電壓水平，對斷路器各部件性能及配合提出了很高的要求，研制目標是要盡可能縮短開斷時間，保證較高的開斷可靠性的同時降低斷路器的體積和成本。
圖2 四觸頭并聯高速機構結構和樣機
科研人員最后總結指出：
1）固態直流斷路器受限于功率器件的容量需要將電力開關串并聯使用，由此帶來了均流均壓、可靠性降低、成本較高等一系列問題。功率器件的通態損耗較高需要冷卻裝置保證其常態的熱平衡、導致斷路器整機的體積較大，是其應用于空間狹窄的船艙中需要解決的主要問題。
SiC器件相較于Si器件具有一定的優勢，但其在SSCB領域的應用尚處于新興發展階段，芯片電流等級無法滿足中壓大電流的開斷需求。隨著新材料、新工藝、新結構的涌現，相信該問題將會迎刃而解。
2）HDCCB兼具固態開關分斷速度和機械開關低導通損耗的優點，是目前保護領域研究的熱點之一，缺點主要有分斷的環節較多、控制復雜、成本較高等。
科研人員對現有的針對性的研究成果進行了梳理，盡管有眾多學者提出了許多新穎的拓撲結構，但大多數還處于仿真及小比例樣機驗證階段。由于中壓船舶直流供電系統對開斷的快速性和可靠性有極高的要求，基于復雜的拓撲、多階段控制的斷路器反而可能不利于限流開斷。
3）基于已有研究成果，對單向分斷10kV/5kA新型強迫換流原理的HDCCB方案進行了設計，并對其工程應用可行性進行了分析，為開展更深層次的大容量中壓快速直流開斷的研究打下了基礎，后續需要進一步攻克的關鍵部件主要有多觸頭并聯機構、脈沖功率組件等，相關研究成果將在后續陸續報道。
以上研究成果發表在2021年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“中壓船舶直流供電系統限流開斷技術”，作者為劉思奇、胡鵬飛 等。
