基于PTC材料的低压大电流混合限流保护技术研究

As the increment of modernization and capacity of shipboard power system, on the one hand, the reliability, continuity and quality of power supply are improved, on the other hand, short circuit current increases rapidly, the limit breaking capacity of existing breaker has been unable to meet the needs. Aiming at this problem, this project investigates PTC current limiting characteristics, which is traditionally applied to weak current protection, establishes the PTC materials model on the basis of the researches on PTC current/resistance characteristics, temperature characteristics and recovery characteristics, and finds suitable PTC materials and processing technology to reliably break current under high current conditions. Combining with these PTC materials and high-speed electromagnetic repulsion, we propose a new mixed-limiting protection project for shipboard power system. Finally, prototype is made and current limiting test is finished. The low voltage and high current limiting protection technology based on the PTC materials, breaking through key technology, provides technical support for the security of shipboard power system.

舰船电力系统现代化程度的日益提高和容量的不断增大，一方面提高了系统对供电可靠性、连续性和供电品质的要求，同时也使得短路故障电流迅速增大，现有断路器的极限分断能力已无法满足短路故障分断需要。针对此问题，本项目对传统用于弱电保护的PTC限流特性开展研究,在对多种PTC材料额定通流/电阻特性、温度特性以及恢复特性研究的基础上，建立PTC材料的模型，通过仿真及试验找到适合的PTC材料与加工工艺，使其可靠地完成大电流条件下开关换流。然后将该种PTC材料与高速电磁斥力开关有机结合在一起，提出适合舰船电力系统的新型混合式限流保护方案，研制出原理样机并完成试验验证。在突破各关键技术基础上，提供一种基于PTC材料的新型低压大电流混合限流保护技术，为舰船电力系统运行安全性提供保障。

传统的短路故障通常采用断路器和熔断器进行保护，已无法满足舰船电力系统日益增大的短路电流保护需求。应用于弱电领域的PTC材料具有良好的限流保护特性，为舰船电力系统短路保护提供一种新型有效的途径。.调研分析了国内现有多种PTC材料的技术参数，对高分子和陶瓷PTC材料完成了短路保护实验并获得了其限流特性参数。实验结果表明，传统应用于弱电领域的PTC材料普遍具有短时间内承受几十至上百倍额定电流冲击的能力。经实验分析对比，确定高分子PTC材料能更好地应用于大电流限流保护。.受PTC材料的制备工艺限制，国内生产的耐压250V和600V高分子PTC材料最大额定电流分别为2A和0.16A。获取该类PTC原始板材后，分别封装了不同面积的高分子PTC模块，提高了PTC元件额定通流能力且降低了室温电阻率，并完成了模块的限流实验测试。.完成了PTC限流模块和高速斥力开关并联的混合限流保护装置原理样机限流特性测试，成功将1500A电流限制在峰值1200A以内，并在400µs内将电流降至1A左右，实验验证了PTC材料应用于限流保护的可行性。.为了研究高分子PTC电阻在承受大电流后的阻值恢复特性，分别对两种不同型号的PTC电阻进行了热环境温度冲击实验和电热冲击实验。实验结果表明，高分子PTC电阻在热环境温度冲击后电阻值不能完全恢复，实验中最大电阻增加率小于10%。在电热冲击条件下，PTC电阻的恢复情况与限流过程中的阻值变化情况有关，限流中电阻值突变倍数越大，阻值恢复情况越差。.为了解决PTC串联使用时的均压问题，首先进行了PTC电阻在不同电压下的耐压性能测试，继而确定了压敏电阻的钳位电压，通过解析分析的方式对压敏电阻进行了选型研究，实验验证了压敏电阻选型的有效性。.在假设高分子PTC电阻的比热容为定值，同时认为限流过程为绝热条件下，分别采用MATLAB编程的方式和EMTP仿真的方式对PTC电阻在大电流条件下的瞬态限流过程进行了建模。仿真与实验对比可知，采用EMTP软件仿真具有更好的准确性，可预测计算PTC电阻在其它不同短路电流下限流过程。.在分析国内外PTC电阻型限流断路器的特点及应用基础上，给出了新型强迫换流型限流断路器的拓扑结构。采用EMTP软件进行了强迫换流仿真。短路电流强迫换流实验表明软件建模的准确性以及强迫换流方法的可行性。新型限流断路器拓扑结构具有更大短路电流限流保护的应用前景。