短路电流限至24kA内！新型混合型超导限流器破解船舶电力系统难题

短路电流限至24kA内！新型混合型超导限流器破解船舶电力系统难题

船舶综合电力系统被誉为船舶动力的第三次革命，它将船舶电力系统和推进系统合二为一，实现了发电、配电与电力推进用电及其他设备的用电的统一调度和集中控制，使得船舶电力系统成为了船舶的主动力系统，其系统容量急剧上升。

为了减轻直流断路器的负担，给系统装设故障限流器成为了一种有效的技术措施，其目的就是在系统发生短路故障时，将原本会上升至高峰值的短路电流限制在较低水平。近期，海军工程大学电气工程学院提出了一种适用于中压船舶直流电力系统短路故障保护的新型混合型超导限流器拓扑结构，解决了超导带材用量过多及电流引线漏热功率过大等问题。

研究背景

目前，船舶综合电力系统取得了显著的发展成果。它成功实现了发电、配电与电力推进用电及其他设备用电的统一调度和集中控制。正因如此，船舶电力系统已华丽转身，成为了船舶的主动力系统。随着这一转变，其系统容量呈现出急剧上升的态势。

在众多选择中，中压直流系统脱颖而出，成为了船舶电力系统网络的首选。这是因为中压直流系统对原动机的调速性能要求较低，发电机组易于并联，功率密度高，并且系统生命力强。然而，大容量船舶直流电力系统并非完美无缺。它具有线路阻抗小、时间常数小的特点，这就导致在发生短路故障时，情况变得十分棘手。

短路电流的初始上升率可以达到 20 至 30 A/μs，短短数毫秒的时间内，短路电流便可迅速上升至 100 kA。如此迅猛的电流上升速度，对直流断路器的分断性能提出了极为苛刻的要求。

不仅如此，船舶环境对于电气设备的体积有着严格的限制。这一约束条件，无疑给直流断路器的研制增加了巨大的难度。在这样的背景下，超导限流器由于具备理想限流器的众多特点，成为了限流器的首选。其中，电阻型超导限流器因其适用范围广、限流能力强的显著优点，受到了学者们的广泛研究。

设计新型超导限流器

基于此复杂且具有挑战性的情况，研究人员充分发挥智慧与创新精神，提出了一种适用于中压船舶直流电力系统短路故障保护的新型混合型超导限流器拓扑结构。为了深入探究其性能和工作原理，研究人员对基于 IGBT、高速真空开关的联合换流过程展开了严谨的试验研究与精细的理论计算。

在这一过程中，研究人员不辞辛劳，通过大量的实验数据和精确的计算分析，成功得出了电容、电感、电阻等参数对换流过程的影响规律。这一成果犹如黑暗中的明灯，为后续的研究和实际应用提供了重要的理论依据和指导方向。

此外，为了提升限流器的性能和效率，研究人员采用了盘式无感绕制的独特方式精心制作了超导带材盘。令人惊喜的是，由其组成的高温超导组件电感值仅为 2.9 μH，这一数值充分展示了研究人员在技术创新和工艺优化方面所取得的显著成就。

这种中压直流混合型超导限流器方案具有诸多显著优势。它不仅能够大幅度减少超导带材的用量，有效降低了成本和资源消耗，而且还能够实现高速真空开关的无弧分断。这一特性为真空触头承压创造了极为有利的环境，大大提高了设备的可靠性和稳定性。

将电流限流至24kA内

基于实际工程的迫切需求，研究人员最后对精心设计的限流器样机进行了全面且深入的试验测试。这一系列严谨的测试，旨在验证混合型超导限流器在实际应用中的可行性和有效性。

试验结果令人振奋不已。样机展现出了极为出色的性能，成功地将原本预期峰值高达 57.6 kA 的短路电流有效地限流至 24 kA 以内。这一显著的限流效果，极大地降低了短路故障对船舶电力系统造成的巨大冲击和潜在危害。

不仅如此，在电流上升率高达 34 A/μs 的严苛条件下，样机实现了 7.7 kA 电流的快速换流，换流时间仅为 61 μs。同时，电容电压最大值达到 1170 V，这一数据充分证明了其在应对高电压和大电流时的卓越稳定性。尤为值得一提的是，高速真空开关成功实现了无弧分断，这不仅减少了开关的磨损和故障风险，还显著延长了其使用寿命。

未来，这种混合型超导限流器无疑具有广阔的应用前景。随着船舶电力系统的不断发展和对安全性、稳定性要求的日益提高，其优越的性能将为船舶行业带来更可靠的电力保障。

我们有理由相信，在后续的研究和改进中，它将进一步优化性能，降低成本，提高适应性。或许在不远的将来，它将成为船舶电力系统中不可或缺的关键组件，推动整个行业朝着更高效、更安全的方向迈进。同时，也有望在其他相关领域发挥重要作用，为能源领域的创新发展贡献力量。