船用中壓真空接觸器及熔斷器組合裝置技術(shù)研究

楊　青，王　寧

（1.海軍駐上海711所軍事代表室，上海 2 01108；2.上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200 063）

船用中壓真空接觸器及熔斷器組合裝置技術(shù)研究

楊青1，王寧2

（1.海軍駐上海711所軍事代表室，上海 2 01108；2.上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200 063）

針對船用中壓電力系統(tǒng)的使用要求，本文分析了船用中壓真空接觸器-熔斷器組合裝置（船用FC組合裝置）的技術(shù)特點(diǎn)，提出了船用FC組合裝置在整體結(jié)構(gòu)、抗沖擊、機(jī)械聯(lián)鎖、保護(hù)特性配合和絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的設(shè)計(jì)方案，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了關(guān)鍵技術(shù)措施的可行性。

船舶中壓電力系統(tǒng)接觸器熔斷器

0　引言

隨著船舶電氣化水平的不斷提高，用電負(fù)荷快速增加，目前很多大型船舶電力系統(tǒng)的總裝機(jī)容量已達(dá)十幾兆瓦、幾十兆瓦甚至上百兆瓦，中壓電力系統(tǒng)［1］及中壓配電板在船舶上得到了越來越廣泛地應(yīng)用。

船舶中壓配電板由若干斷路器柜、接觸器柜（FC組合柜）按實(shí)際使用要求組成［2］，通常包括若干發(fā)電機(jī)屏、母聯(lián)屏、預(yù)勵磁屏和負(fù)載屏。船用中壓真空接觸器-熔斷器組合裝置（船用FC組合裝置）是船舶中壓配電板中FC組合柜的核心部件，雖然美、英等國已有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)并發(fā)布了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)［3］，但我國船用FC組合裝置的研究、設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)還處于起步階段。

本文針對船用中壓電力系統(tǒng)的使用要求，分析了船用FC組合裝置的技術(shù)特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，并對關(guān)鍵技術(shù)措施進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　船用FC組合裝置的技術(shù)特點(diǎn)

1.1使用場合

船用中壓真空接觸器和限流熔斷器串聯(lián)可組成船用FC組合裝置，該裝置具有壽命長、體積小、重量輕、不爆炸、不污染環(huán)境、可頻繁操作、可實(shí)現(xiàn)較高分?jǐn)嗄芰Φ纫幌盗袃?yōu)點(diǎn)，這種以限流熔斷器作為后備保護(hù)的組合裝置的供電方式具有良好的經(jīng)濟(jì)效益［4］。文獻(xiàn)［5］認(rèn)為，在1600 k VA及以下的變壓器回路、1200 kW 及以下的高壓電動機(jī)回路和1200 kVar及以下的電容器組，更適合選用FC組合柜供電；如果負(fù)荷超出此范圍時，則應(yīng)使用真空斷路器柜供電。船舶中壓配電板的組成大體上也遵循這一規(guī)律。因此，在船舶中壓電力系統(tǒng)中，側(cè)推電動機(jī)、大容量輔機(jī)電動機(jī)、預(yù)勵磁變壓器等中壓負(fù)載通常由FC組合柜供電。

1.2技術(shù)要求

船用FC組合裝置首先應(yīng)滿足GB/T 11022、GB/T 14808、GB/T 15166.2等國標(biāo)［6-8］的要求，此外還需滿足GJB 4000、GJB 5A、GJB 1915、GJB 150A、GJB 150.18等國軍標(biāo)［9-10］的要求。其主要性能可用如下技術(shù)指標(biāo)（例）描述：

額定電壓：12 kV；額定頻率：50 Hz；額定電流：250 A；接觸器額定開斷電流：2.5 kA；接觸器短時耐受電流：2.5 kA/4 s；1min工頻耐壓（對地、相間/斷口）：42 kV/48 kV；額定雷電沖擊耐壓（對地、相間/斷口）：75 kV /85 kV；接觸器與熔斷器配合（FC組合裝置）額定短路開斷電流：50 kA；工作環(huán)境：有鹽霧、油霧、霉菌、傾斜、搖擺、沖擊和振動等影響。

2　船用FC組合裝置的設(shè)計(jì)

2.1整體結(jié)構(gòu)

本文提出的船用FC組合裝置主要由船用中壓真空接觸器（以下簡稱接觸器）、中壓限流熔斷器（以下簡稱熔斷器）以及底盤車等部件構(gòu)成。該裝置的基本工作原理是負(fù)荷的正常啟動和停止全部依靠接觸器來完成，接觸器同時還承擔(dān)著部分過載電流的開斷任務(wù)，充分利用了接觸器可頻繁操作和機(jī)械壽命長的優(yōu)勢；而較為嚴(yán)重的大電流或短路電流的開斷任務(wù)則由熔斷器來完成，充分利用熔斷器的限流特性以及預(yù)期開斷電流大的優(yōu)勢。由于船用FC組合裝置實(shí)際使用時主要配裝于中置式中壓配電板中，綜合考慮裝置重心和小型化，設(shè)計(jì)將接觸器水平安裝于底盤車上，將熔斷器架安裝于接觸器上方，熔斷器水平安裝于熔斷器架內(nèi)，形成下層接觸器、上層熔斷器的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　船用FC組合裝置結(jié)構(gòu)示意圖

船用FC組合裝置采用可移開式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于實(shí)現(xiàn)裝置間的互換性、減少維修時間。從電氣回路上看，熔斷器位于電源側(cè)，可使熔斷器的保護(hù)范圍最大化；通過一次梅花觸頭連接至中壓配電板的一次回路，通過二次航空插頭連接至中壓配電板的二次回路。船用FC組合裝置正面配有面板，用于安裝計(jì)數(shù)器、合分閘指示、手動分閘按鈕等指示裝置。

2.2抗沖擊設(shè)計(jì)

船用FC組合裝置必須滿足艦船機(jī)械環(huán)境、特別是強(qiáng)沖擊的影響。當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)沖擊情況時，船用FC組合裝置應(yīng)能保持原有工作狀態(tài)，觸頭彈跳控制在一定范圍內(nèi)，不發(fā)生誤動作。

現(xiàn)有接觸器產(chǎn)品的主流合閘保持方式可分為機(jī)械保持方式和電保持方式：采用線圈長期通電保持的稱為電保持；采用機(jī)械式鎖扣裝置保持的稱為機(jī)械保持。通過對兩種保持方式保持機(jī)理進(jìn)行比較，結(jié)合大量沖擊摸底試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)沖擊情況下，由于電保持方式保持力比較小，并且受到供電回路中二次控制元件出現(xiàn)觸頭彈跳導(dǎo)致合閘電磁鐵短時失電的影響，將引起接觸器主觸頭約200ms左右的彈跳；相比電保持，機(jī)械保持更有利于抗沖擊的實(shí)現(xiàn)。為此，針對機(jī)械保持樣機(jī)在沖擊摸底試驗(yàn)中誤動作的情況，以機(jī)構(gòu)配置平衡為主要思路，設(shè)計(jì)出了一套連桿平衡保持機(jī)構(gòu)（如圖2所示），使得強(qiáng)沖擊對保持機(jī)構(gòu)在各個方向的影響都互為抵消，降低了沖擊產(chǎn)生誤動作的可能性。

圖2　接觸器的抗沖擊保持機(jī)構(gòu)

除設(shè)計(jì)特殊保持機(jī)構(gòu)外，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對強(qiáng)沖擊下接觸器合閘狀態(tài)的保持至關(guān)重要，結(jié)構(gòu)部件的扭曲形變量超出保持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)余量時，將導(dǎo)致不可逆的誤動作。因此設(shè)計(jì)中必須對關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。另外，還需同時對船用FC組合裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)。

其他抗沖擊措施還有：選用質(zhì)量輕強(qiáng)度高的零部件；配合通過局部減振的方式對部分二次回路控制元件進(jìn)行減振處理；設(shè)計(jì)以接觸器轉(zhuǎn)動的支點(diǎn)為中心、最大化地將結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全對稱布置，以達(dá)到理想的平衡工作狀態(tài)，從而將沖擊激勵在正向、垂向和側(cè)向三個方向產(chǎn)生的影響互為抵消。

2.3聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

船用FC組合裝置必須設(shè)計(jì)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)［6］以防止人員誤操作而造成事故，主要設(shè)計(jì)有以下幾類聯(lián)鎖：熔斷器熔斷分閘接觸器聯(lián)鎖，當(dāng)熔斷器熔斷時可及時分閘接觸器；防止誤分、合接觸器聯(lián)鎖，只有該裝置處在工作位置和隔離位置時接觸器才能進(jìn)行合分閘操作；防止帶負(fù)荷推拉聯(lián)鎖，接觸器只有處于分閘位置時該裝置才能搖進(jìn)搖出；預(yù)留與成套設(shè)備內(nèi)接地開關(guān)聯(lián)鎖接口，該功能需結(jié)合成套設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接地開關(guān)合閘時，該裝置不能從隔離位置進(jìn)入到工作位置，當(dāng)該裝置處于工作位置時，接地開關(guān)不能合閘。

2.4保護(hù)特性配合

當(dāng)船用FC組合裝置用于向側(cè)推電動機(jī)、大容量輔機(jī)電動機(jī)等電動機(jī)負(fù)載供電時，通常采用綜合繼電保護(hù)裝置控制接觸器合分閘對小電流故障進(jìn)行反時限或定時限保護(hù)；當(dāng)故障電流大于接觸器開斷電流時，采用熔斷器提供短路保護(hù)。當(dāng)船用FC組合裝置用于向預(yù)勵磁變壓器負(fù)載供電時，由于是短時工作，可不考慮對小電流故障進(jìn)行反時限或定時限保護(hù)，只需采用熔斷器提供短路保護(hù)。

船用FC組合裝置中的熔斷器需根據(jù)供電負(fù)載的類型和使用條件來確定額定電流。此外，由于船用FC組合裝置通常規(guī)定使用環(huán)境為50℃，按文獻(xiàn)［8］的規(guī)定，當(dāng)熔斷器周圍溫度超過40℃時，則每升高1℃，熔斷器額定電流應(yīng)減少1%使用。熔斷器型號確定后，需對接觸器與熔斷器的保護(hù)配合（SCPD）進(jìn)行校核。以本文設(shè)計(jì)的船用FC組合裝置為例，選用庫柏西熔生產(chǎn)的XRNT1-12（SXLDJ-12kV/200A-50kA）型熔斷器，其額定最大開斷電流為50 k A，額定最小開斷電流為2.5 kA，時間-電流特性曲線如圖3中200 A對應(yīng)的曲線所示。接觸器的參數(shù)見本文2.2節(jié)。接觸器與熔斷器保護(hù)配合（SCPD）校核主要針對兩個方面。

1）接觸器承受熔斷器開斷50 kA大電流時產(chǎn)生能量的校核

為了驗(yàn)證熔斷器開斷50 kA電流時，接觸器可否承受10 ms的極短時大電流產(chǎn)生的能量，分別對熔斷器開斷50 kA大電流時的總能量和接觸器額定短時耐受時的總能量進(jìn)行計(jì)算比較。

熔斷器開斷時的總能量：Q1=i2t＜（50kA）2×10ms=2.5×107J

接觸器短時耐受時的總能量：Q2=i2t=（2.5kA）2×4s=2.5×107J Q1＜Q2，接觸器能夠承受極短時的大電流。

2）接觸器額定開斷電流范圍內(nèi)機(jī)械強(qiáng)度的校核

接觸器的額定開斷電流指標(biāo)為2.5 kA，額定短時耐受電流指標(biāo)為2.5 kA/4 s，根據(jù)熔斷器時間-電流特性曲線可見，當(dāng)預(yù)期電流為2.5 kA時，弧前時間約為0.5 s，遠(yuǎn)小于4 s的額定短時耐受時間，故接觸器在開斷能力范圍內(nèi)不會有損壞。

所選用的熔斷器與接觸器可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)配合（SCPD），在接觸器額定開斷電流范圍內(nèi)以及熔斷器開斷大電流的極短時間內(nèi)，接觸器均不會損壞。

2.5絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船用FC組合裝置長期運(yùn)行于潮濕海洋環(huán)境中，且作為中壓產(chǎn)品，工作環(huán)境的電壓等級較高，應(yīng)充分考慮絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證設(shè)備運(yùn)行時的安全可靠。接觸器中的核心部件為真空滅弧室，通過滅弧室內(nèi)部真空優(yōu)良的絕緣性能使得電路切斷電源后能迅速熄弧并抑制電流。根據(jù)船用環(huán)境特點(diǎn)，選用爬電距離大的波紋型真空滅弧室更有利于絕緣，除此之外，還應(yīng)通過在放電路徑上設(shè)置固體絕緣隔板、在裸露導(dǎo)體外部敷設(shè)絕緣材料等措施加大電氣間隙，通過在絕緣件中設(shè)計(jì)筋槽等措施加大爬電距離。

3　船用FC裝置關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1抗沖擊

船用FC組合裝置需要對其抗沖擊性能進(jìn)行驗(yàn)證。抗沖擊試驗(yàn)按文獻(xiàn)［13］ 的方法進(jìn)行，試驗(yàn)后首先應(yīng)符合以下要求：1）應(yīng)無影響產(chǎn)品正常使用的機(jī)械損壞；2）接觸器合分閘狀態(tài)不應(yīng)改變；3）觸頭允許有不超過20 ms的瞬時斷開，但不允許從斷開位置變成閉合。

在畜禽養(yǎng)殖地區(qū)，有不法分子，也總是有人收購病死畜禽，這些人員成為畜禽疫病傳播的主要途徑，嚴(yán)重危害了養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展和人民的身體健康，所以要加大對這些人員的打擊力度，一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)該從嚴(yán)從重給予處罰，必要時追究刑事責(zé)任，廣大養(yǎng)殖戶也要樹立自覺維護(hù)養(yǎng)殖環(huán)境的正確觀念，拒絕出售病死畜禽，將病死畜禽進(jìn)行無害化處理。

不同于低壓電器產(chǎn)品，船用FC組合裝置額定電壓等級高達(dá)12 k V，在受到強(qiáng)沖擊后應(yīng)確保其絕緣良好、仍可安全運(yùn)行，因此試驗(yàn)后還須增加以下驗(yàn)證試驗(yàn)：

1）工頻耐受電壓試驗(yàn)，施加的試驗(yàn)電壓為船用FC組合裝置額定工頻耐受電壓值的85%；

2）溫升試驗(yàn)，溫升最大值應(yīng)不高于文獻(xiàn)［6］表3中的數(shù)值；

3）真空度測試，真空滅弧室內(nèi)部氣體壓力應(yīng)低于6.6×10-2 Pa［15］。

船用FC組合裝置符合上述規(guī)定，則沖擊試驗(yàn)判為合格。

船用FC組合裝置須按文獻(xiàn)［7］進(jìn)行聯(lián)鎖性能驗(yàn)證，主要項(xiàng)目有：

1）撞擊器聯(lián)動聯(lián)鎖。由于撞擊器熔斷時撞擊力值與行程參數(shù)有關(guān)，因此，用最小能量的撞擊器（可采用模擬撞擊器）對船用FC組合裝置A、B和C相各進(jìn)行操作試驗(yàn)30次，用最大能量的撞擊器（可采用模擬撞擊器）對船用FC組合裝置同時進(jìn)行三相操作試驗(yàn)10次，由此確保撞擊器最小能量時能觸發(fā)接觸器分閘，但最大能量觸發(fā)接觸器分閘時不會損壞聯(lián)鎖本身。試后聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)應(yīng)與試前相同，動作可靠；

2）防誤合聯(lián)鎖。將一只帶有已伸出撞擊器的模擬熔斷器調(diào)整至其最小實(shí)際行程，依次對船用FC組合裝置A、B和C相進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)確保此時接觸器既不能合閘也不能保持在合閘狀態(tài)；

3）防帶負(fù)荷移動聯(lián)鎖。將防止帶負(fù)荷拉動船用FC組合裝置聯(lián)鎖處于閉鎖位置，施加正常操作力對該其試操作50次、對可移開部件進(jìn)行25次插入和25次抽出的試操作，此時船用FC組合裝置不可能被操作、可移開部件的插入和抽出完全被阻止、且試驗(yàn)前后操作力應(yīng)基本相同。

船用FC組合裝置符合上述規(guī)定，則聯(lián)鎖試驗(yàn)判為合格。

4　結(jié)論

為了滿足船舶中壓電力系統(tǒng)的使用要求，本文設(shè)計(jì)了具有如下特點(diǎn)的船用FC組合裝置：整體結(jié)構(gòu)方面，采用下層接觸器、上層熔斷器的可移開式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗沖擊方面，設(shè)計(jì)了一套連桿平衡機(jī)械保持機(jī)構(gòu)；機(jī)械聯(lián)鎖方面，預(yù)留有與成套設(shè)備內(nèi)接地開關(guān)的聯(lián)鎖接口；保護(hù)特性配合（SCPD）方面，進(jìn)行了短路電流開斷能量和機(jī)械強(qiáng)度的校核；絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用了加大電氣間隙和爬電距離的結(jié)構(gòu)。還進(jìn)行了抗沖擊、機(jī)械聯(lián)鎖等試驗(yàn)，驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)措施的正確性。

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［9］ GJB 4000： 2000. 艦船通用規(guī)范 3組 電力系統(tǒng)［S］.

［10］ GJB 5A： 1995. 艦用低壓電器通用規(guī)范［S］.

Research on Technique of Medium Voltage Fuse-Contactor Unit Equipment for Ships

Yang Qing1，Wang Ning2
（1. The Naval Representatives Office in No.711 Research Institute，Shanghai 201108，China；2. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute，Shanghai 200063，China）

In allusion to the requirements of a marine medium voltage power system, this paper analyzes the technical characteristics of the medium voltage Fuse-Contactor unit equipment, and presents design scheme of the fuse-contactor unit equipment especially including overall structure, shock resistance, mechanical interlocking, protection characteristic and insulation system. Finally the feasibility of these key techniques is verified by experiments.

ship; medium voltage; power system; contactor; fuse

TM463

A

1003-4862（2015）09-0052-04

2015-07-09

楊青（1967-），男，高級工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)、開關(guān)電器。