周宏达装备技术美海军舰艇中压直流断路器进展

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　　中压直流断路器能快速隔离系统故障、维持直流配网正常功率分配，是未来舰艇中压直流电力系统的重要构成部分。近年，美海军在这方面开展了大量研究，已研发出多种规格的直流断路器，多型已具备实用化水平。
　　一、发展背景
　　综合电力系统能够满足更高的电力需求、能源利用率更高，可支撑高性能雷达、高能武器等上舰使用。中压交流电制的综合电力系统因技术门槛低、易于实现，已在国外大型水面舰上使用。与中压交流系统相比，采用中压直流技术的综合电力系统具有控制简单、供电可靠性高、便于储能设备接入、节约线缆材料、线路损耗低等优点，是未来综合电力系统的发展方向，美海军已明确将中压直流电制作为综合电力系统未来发展路线。
　　舰艇中压直流电力系统设备耦合紧密、线缆阻抗低、母线电压等级高，一旦发生故障会在短时间内波及大量电气设备，短路电流可在几毫秒内激增至100kA以上，击穿电气设备。因此，中压直流断路器需具备较强的分断能力与分断速度、较高的耐压等级和限流能力，需要解决在故障情况下制造出电流过零点、分断过程中快速吸收并耗散电感中储存的电能两大问题，研制难度极大，是中压直流综合电力系统的技术瓶颈之一。美海军在2019年版《海军电力与能源系统技术发展路线图》中提出重点研发20～50kV的中压直流电路保护系统，计划在2019-2023年间完成1kV高速直流固态断路器和12kV高速直流固态断路器的研发、测试、集成。
　　图 1 舰艇交流电网与直流电网
　　二、技术路线与原理内涵
　　舰艇中压直流断路器主要有两种技术路线，一是采用高电弧电压（触头分闸产生）抵消系统电压，强制系统电流过零完成分断；目前技术成熟，但限流能力有限，已应用于空气式直流断路器。二是采用电流转移原理，可靠性高，已应用于固态直流断路器、混合型直流断路器、Z源直流断路器。
　　1、空气式直流断路器
　　空气式直流断路器由交流断路器发展而来，以空气作为灭弧介质，电弧在磁场、电场、气流场等复合物理作用下快速熄灭。此类断路器开断原理简单、可靠性高、成本低，但限流效果差、维护成本高、寿命短。
　　2、固态直流断路器
　　固态直流断路器采用功率半导体器件执行分断任务，由吸能支路、固态开关、缓冲回路三部分构成。其中，固态开关限制短路电流，吸能支路耗散回路中感性能量，缓冲支路防止过电压击穿电气元件。
　　此类断路器限流能力强，维护成本低，可靠性高，寿命长，适用于有较高可靠性需求的小电流、中低压（不超过10kV）保护场景。
　　3、混合型直流断路器
　　混合型直流断路器由功率半导体器件、机械开关与吸能组件构成，在电流正常流通情况下，电流流经机械开关支路；故障状态下，功率半导体器件承担主要开断任务，机械开关打开，电流转移到功率半导体支路，随后功率半导体器件分断，电流转移至吸能支路，分断过程结束。这种断路器兼具功率半导体器件分断速度快和机械开关通态损耗低的优点，可用于大电流、高电压的保护场合。
　　4、Z源直流断路器
　　Z源直流断路器由两条LC回路、两条由电阻与二极管/晶闸管组成的吸收回路构成，本质上仍是一种固态断路器，适用于舰艇中低电压等级电气设备的继电保护。
　　图 2 Z源网络意图
　　当系统发生短路故障，Z源网络中的电感维持电流恒定，电容电流逐渐上升直到与电感电流相等。在此过程中双向可控硅器件的电流逐步减小到零，形成分断。此类断路器可使短路电流自然过零点，结构简单，无需外设故障电流监测系统，可快速分断短路电流。
　　表 1 中压直流断路器性能对比
　　断路器类型
　　开断时间
　　使用寿命
　　电弧烧蚀
　　系统可靠性
　　成本
　　空气式直流断路器
　　长
　　短
　　严重
　　高
　　低
　　混合型直流断路器
　　较短
　　长
　　一般
　　与拓扑结构相关
　　高
　　固态直流断路器
　　极短
　　较长
　　无
　　较高
　　高
　　Z源直流断路器
　　极短
　　较长
　　无
　　较高
　　高
　　三、研究概况
　　1、1-10kV舰艇直流断路器
　　在1-10kV舰艇直流断路器领域，美海军采用了空气式直流断路器、固态直流断路器、Z源直流断路器三种技术方案，部分成果已达到实用化水平。
　　（1）空气式直流断路器
　　美海军在2013版《海军电力系统技术发展路线图》中明确指出，已掌握4160V交流空气式断路器技术。空气式直流断路器由交流断路器发展而来，目前技术也已相对成熟，主要用于电压5kV以下的直流电网与变换器的继电保护。
　　（2）固态直流断路器
　　近年，在美国海军研究署的资助下，中低电压（1-10kV）固态直流断路器取得密集进展：美国分散技术公司的3款固态直流断路器已达到实用化水平，瑞典ABB公司已完成断路器的设计与测试工作。
　　分散技术公司针对舰艇电网与变换器的继电保护问题，研发出3种技术成熟的固态直流断路器产品：一是1MW固态直流断路器，在2.5kA/480V三相交流断路器基础上发展而来，额定电压2.5kV，分断能力不超过1kA；二是4.5kV/600A固态直流断路器，设计用于雷达系统，由两个额定电压4.5kV的绝缘栅双极晶体管串联组成，尺寸为4.88m×2.44m×1.83m；三是10kV/8MW固态直流断路器，采用6个4500V/900A的绝缘栅双极晶体管串联，已通过10000次1kA等级的可靠性试验。测试结果表明，这三种固态直流断路器符合军用标准，可快速分断额定负载电流，并将故障电流限制在额定负载电流的两倍以下。
　　表 2 10kV/8MW固态直流断路器具体参数
　　参数名称
　　参数值
　　额定功率
　　8MW
　　绝缘栅双极晶体管型号
　　CM900HB-66H
　　尺寸
　　9.75m×9.75m×12.80m
　　冷却方式
　　水冷
　　重量
　　27.22kg
　　图 3 10kV，8MW固态直流断路器
　　2019年12月，ABB公司成功研制出1kV/1.5kA双向直流固态断路器。该型断路器采用反向阻断型集成门极换向晶闸管与金属氧化物变阻器并联，能快速耗散系统电感的能量，具有导通损耗低、功率密度高、反应速度快的优点。目前，该型断路器已成功通过舰艇直流故障保护测试，效率高达99.9%，可在10μs内检测到故障电流，20μs做出动作，500μs内完成能量耗散，优于美国海军研究署提出的器件反应时间要求。
　　表 3 美国海军研究署提出的直流断路器技术指标
　　参数名称
　　参数值
　　反应时间
　　＜1ms
　　功率密度
　　＞18 MW/m3
　　分断能力
　　＞80kA
　　导通电流
　　1kA
　　额定电压
　　1kVdc
　　（3）Z源直流断路器
　　2011至2016年，密苏里科技大学在美国海军研究署的资助下对10kV以下舰艇Z源直流断路器的研究取得多项进展，成果涉及参数设计、拓扑优化以及与舰艇中压直流电网的系统集成。
　　2011年，密苏里科技大学研究了Z源直流断路器的操作原理、暂态过程、负荷变化与谐振过程，设计了6MW/1kA，18MW/3kA，36MW/6kA三种断路器。
　　2015年，该团队提出了两种改进型Z源直流断路器的方案，分别通过电阻或电感限制电容的电流，增加电容分流支路，在故障或负载突变情况下，允许电流经支路流动。小功率试验结果表明，这两种方案均不会将负载的阶跃变化误认为系统故障。
　　图 4 方案1拓扑图 图 5 方案2拓扑图
　　表 4 两种改进型断路器具体参数
　　方案一参数
　　方案二参数
　　R1（Ω）
　　1
　　La（mH）
　　50
　　R2（Ω）
　　1.5
　　Lb（mH）
　　75
　　C1（μF）
　　30
　　C1（μF）
　　30
　　C2（μF）
　　20
　　C2（μF）
　　20
　　C（μF）
　　50
　　C（μF）
　　50
　　L1（mH）
　　1.8
　　L1（mH）
　　1.8
　　L2（mH）
　　0.9
　　L2（mH）
　　0.9
　　2016年，研究团队针对Z源直流断路器与舰艇中压直流系统的集成问题，提出一种双断路器、双总线设计方案。这种设计方案可在不影响负载供电的前提下进行维护，并可通过任一断路器对故障进行隔离，且任一断路器或母线故障不会影响全舰电网正常工作。
　　图 6 双断路器、双母线设计方案
　　2、10-35kV直流断路器
　　在10-35kV直流断路器领域，美海军主要采用混合型断路器方案。2020年6月，美国肯塔基大学舰用20kV混合型直流断路器完成模型设计与系统仿真工作。
　　该型断路器的转移支路由两个碳化硅谐振电流源模块并联组成，具有开关频率高、耐压能力强、极限工作温度高的特点。仿真结果表明，在舰艇直流母线电压20kV的条件下，断路器可快速动作，在故障发生后560μs内完成能量耗散，碳化硅器件的结温峰值仅为80℃。
　　四、结语
　　1、舰艇中压直流电力系统应联合使用多类型直流断路器。中压直流断路器的故障保护对象包括负载、变换器、配电设备与直流电源，上述电气设备电压等级、容量与成本各不相同，对供电可靠性存在差异化需求。因此，舰艇电力系统应联合使用多类型直流断路器，以实现故障保护系统开断速度快、通态损耗低、体积小、成本低的总体设计目标。
　　2、中低电压（1kV-10kV）直流断路器取得技术突破，部分成果已进入实用化阶段。现阶段，美海军已基本掌握空气式直流断路器技术；分散技术公司的中低压固态直流断路器产品已通过军方测试。1kV/1.5kA双向直流固态断路器已通过全电压测试，未来将重点解决直流断路器与舰艇中压直流系统的集成问题。
　　3、混合型直流断路器是未来重要发展方向。混合型直流断路器兼具功率半导体器件分断速度快和机械开关通态损耗低的优点。综合考虑开断时间、通态损耗、换流可靠性、控制难易程度等因素，混合型直流断路器是大容量、中高电压应用场景中最为理想的故障隔离方式。