新型強迫換流型真空直流限流斷路器研究

余躍聽，黃青梅，江壯賢

(1. 海軍駐武漢719所軍事代表室，武漢 430064；2. 92730部隊裝備部，三亞 572016；3. 海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033)

0 引言

真空斷路器由于具有耐壓能力高、在電流過零點介質強度恢復速度快、燃弧能量低、安全和免維護等特點在交流系統中得到了廣泛應用[1-3]。近年來真空開關逐步向直流系統發展，如直流輸配電、輕軌、地鐵及艦艇等場合也越來越多的采用真空直流開關[4-10]。為了將交流真空開關應用于直流系統，最常用的辦法是采用強迫換流的方法使真空開關中的直流電流強制過零，利用真空開關在電流過零點極強的介質強度恢復能力來形成絕緣介質間隙，分斷電流[11,12]。

圖1所示為真空直流開關的一種原理結構圖，它的工作過程如下：正常工作時主回路電流is從真空開關VB上流過；當需要分斷電流時，首先打開真空開關 VB，真空電弧出現；經過一定時間的燃弧后真空開關形成足夠的觸頭開距，此時導通關斷回路晶閘管TH，預先充電的電容C通過電感L對真空開關放電，形成與主回路電流方向相反的脈沖電流ic，使真空開關中的電流逐漸的減小直至形成電流過零點。真空電弧電流過零之前由于電弧電壓的鉗位作用二極管D無法開通，直到電弧熄后反向脈沖電流才從二極管流過，為真空滅弧室提供零電壓的介質恢復時間，更加有利于真空開關成功分斷。

圖1 真空直流開關原理結構圖

采用強迫換流原理的真空直流斷路器為了分斷高上升率的短路電流，要求真空開關不僅機械延時短而且觸頭初期運動速度快，以盡快形成足夠的觸頭開距。開距形成時間越短，關斷電流就可越早發出，短路電流對真空觸頭的燒損越小，而且關斷時刻越早，短路電流越小，所需的關斷電流峰值也越小，不僅可以減小關斷電路體積，而且有利于降低電流過零點的di/dt，這對于真空介質的強度的恢復意義重大。

與真空開關一樣，關斷電路的導通開關也必須動作速度快，由于斷路器正常工作時關斷電路導通開關無需通流，因此一般的功率晶閘管便可滿足要求。若斷路器的電壓等級過高或所需的關斷電流上升率過大時可采用真空觸發開關，本文采用具有較快導通 di/dt的快速晶閘管作用關斷電路的快速導通開關。

在斷路器關斷短路電流時，線路電感中存儲的能量將使斷路器兩端出現遠大于系統電壓的過電壓，若不加以限制將會對系統設備和斷路器的器件造成損壞。因此斷路器兩端并聯了壓敏電阻以限制關斷過電壓。

本文將對基于強迫換流原理的真空直流限流斷路器進行仿真與試驗研究，對斷路器的限流分斷過程進行分析。

1 高速真空開關

為了滿足限流斷路器對真空開關的要求，本文設計了基于電磁斥力機構的高速真空開關，其結構如圖2所示，它的不同工作過程如下：

1）合閘狀態：真空開關合閘狀態的觸頭壓力由壓力彈簧和真空滅弧室的自閉力產生，以保證真空開關導通時的低阻特性。

2）分閘：分閘時預先充電的脈沖放電電路對斥力線圈放電在斥力金屬盤中感應出與斥力線圈電流方向相反的渦流，依靠斥力盤與斥力線圈間產生的電磁斥力推動斥力盤帶動動觸頭快速分離，電磁斥力機構的原理圖如圖3(a)所示，觸頭運動到一定開距后，鎖扣彈簧（圖中未畫出）帶動鎖扣桿將觸頭動固定于分閘位置。

3）合閘：當故障解除后需要合閘時，通過對脫扣電磁鐵（圖中未畫出）通電，電磁鐵克服鎖扣彈簧的拉力使機構脫扣，動觸頭在滅弧室自閉力及壓力彈簧的作用下合閘。

圖2 高速真空開關結構

圖3（b）所示為電磁斥力機構的動作特性，斥力電容C容量100 μF，充電1.5 kV。由圖可知斥力線圈電流峰值5 kA，峰值時間約50 μs，所產生的電磁斥力峰值約40 kN，加速過程結束后動觸頭運動速度可達 2 m/s，后期測試表明該觸頭機構的機械延時為 75 μs。

圖3 電磁斥力機構

2 脈沖電容試驗電路

本文采用脈沖電容器放電回路試驗系統。該系統主要組成如圖4所示。脈沖電容放電系統的原理是，把若干個電容器經串并聯后組成電容器組C1，放電試驗前首先對C1充電，儲存能量，然后經電感和限流斷路器放電，產生一定頻率的放電電流，以在短時間內獲得相當于實際系統短路電流的放電電流供限流斷路器開斷能力試驗使用。

脈沖電容放電系統可分為充電回路和放電試驗回路兩部分，先斷開開關K2，閉合開關K1，將電容器組C1充電至電壓U1，然后斷開K1使充電電路停止工作。在確定被試限流斷路器處于閉合狀態情況下，給放電回路的晶閘管F觸發導通信號，C1開始放電過程，限流斷路器按照控制程序進行限流分斷，由示波器記錄電流波形i和限流斷路器兩端電壓u。試驗完成后，閉合開關K2可以將電容C1的剩余能量釋放掉。

圖4 脈沖電容放電系統

通過適當選擇電容值C1、充電電壓U1和電感值L1，即可得到模擬實際系統短路所需要的放電電流波形。本文試驗中電容C1的取值主要有5 mF、10 mF、30 mF和190 mF，電感L1的取值主要有15 μH、20 μH、25 μH、30 μH、60 μH 和 100 μH，通過搭配不同的電容和電感取值來模擬不同的短路電流波形。采用脈沖電容放電系統代替實際直流電源系統的等效性應滿足以下三個方面要求：

1）電流特性相同：電容放電電流波形與實際短路電流波形在上升段一致，即電流到達峰值前的上升率di/dt與實際系統相同；

2）能量特性相同：限流過程中電容釋放出的能量與實際系統一致，即在限流斷路器中MOV開始限壓吸能時電感上儲存的能量應一致；

3）電壓特性相同：限流結束后，電容C1剩余電壓應等于或高于實際系統電壓。

3 關斷過程仿真分析

為了更好理解限流斷路器的分斷過程，采用EMTP仿真軟件建立斷路器及試驗系統的仿真模型。仿真中所用參數與試驗參數一致，如表1所示，其中負載電阻依據關斷試驗項目的不同選擇不同阻值。

1）短路關斷仿真

短路關斷時負載電阻為5.5 mΩ。斷路器的控制策略為：當短路電流到達1 kA時延時20 μs再檢測，若電流仍大于1 kA則認為發生短路故障，確定故障后給高速真空開關發動作信號，使真空滅弧室動、靜觸頭分離，高速真空開關機械延時約75 μs；高速真空開關動作信號發出100 μs后導通關斷電路晶閘管，開始強迫換流關斷過程。

表1 試驗及仿真參數

短路仿真結果如圖5所示，短路發生后主回路電流以5.5 A/μs的速度上升，t0=292 μs時真空滅弧室觸頭分離，t1=317 μs時關斷電路發出關斷電流，此時真空滅弧室電弧電流達到最大值 1.78 kA。隨著關斷電流的上升，真空滅弧室電流不斷下降并在380 μs時下降到零，真空電弧熄滅。t2時刻開始，續流二極管導通，真空滅弧室處于零電壓的介質恢復階段，直至t3=422 μs時二極管截止，主回路電流轉移至關斷回路，零電壓恢復階段結束，二極管電流峰值405 A，零電壓時間tr=t3-t2=42 μs。t3時刻以后主回路電流向關斷電容充電，此時斷路器兩端電壓等于關斷電容電壓，并隨著充電的過程電壓不斷提高，并在t4=475 μs時刻電壓達到壓敏電壓動作的閾值，壓敏電阻開始導通。壓敏電阻起作用后，關斷回路電流向壓敏電阻支路轉移，t5=530 μs時關斷回路電流完全轉移至壓敏電阻支路，關斷電容充電電壓及斷路器兩端電壓達到最大值2 kV。電流完全切斷發生在t5=1130 μs時刻，關斷過程關斷晶閘管承受反向電壓為關斷電容與斷路器兩端電壓之差，最大值1 kV，關斷后斷路器兩端電壓等于電回路電容剩余電壓約1.08 kV。

圖5 短路關斷仿真結果

2）額定電流關斷仿真

400 A額定電流關斷時負載電阻取2.6 Ω，斷路器的控制策略為：當短路電流到達300 A時，延時200 μs后給高速真空開關發動作信號，使真空滅弧室動、靜觸頭分離；高速真空開關動作信號發出425 μs后導通關斷電路晶閘管，開始強迫換流關斷過程，與短路關斷相比額定關斷時由于滅弧室的燃弧電流只有400 A，且保持恒定不變，因而從斥力信號發出至關斷信號發出采取了較長延時策略，目的是使真空滅弧室運動到足夠大的開距，避免關斷回路電流向續流二極管支路轉移時感應的電壓使滅弧室反向擊穿重燃。

額定電流關斷仿真結果如圖6所示，與短路關斷相似額定關斷也存在滅弧室電流向關斷電路轉移的過程，由于主回路電流比短路時相比要小得多因而滅弧室電流過程后向續流二極管轉移的電流要大得多，這種情況下續流二極管導通時間 102.3 μs，電流峰值2.2 kA。由于回路能量較小，關斷電容充電壓未達到壓敏電阻保護電壓閾值，因而關斷過程中壓敏電阻未開通，不存在向壓敏電阻的換流的階段，續流二極管截止后斷路器兩端電壓等于關斷電容電壓，關斷過程關斷晶閘管不承受反向電壓。關斷后斷路器兩端電壓等于電回路電容剩余電壓約1.09 kV。

圖6 額定關斷仿真結果

4 試驗結果

圖7和圖8分別為1 kV/400 A限流斷路器樣機短路電流分斷和額定電流分斷的試驗結果，為了方便比較將各自的仿真結果也在圖中表示出來，結果表明仿真與試驗具有較高的一致性。

短路電流分斷結果中，初始電流上升率為 5.5 A/μs的短路電流被限流到2.5 kA以下，電流到達峰值時間530 μs，完整的限流分斷時間1.35 ms，斷路器兩端過電壓小于2 kV，短路關斷試驗和額定電流關斷試驗結束后主回路電容電壓大于1kV，滿足等效試驗要求。

圖7 短路關斷仿真與試驗結果對比

圖8 額定關斷仿真與試驗結果對比

5 結論

本文對強迫換流型限流斷路器的限流分斷過程進行了仿真分析與試驗研究，仿真與試驗結果一致性較好。分析了限流斷路器的短路與額定關斷過程，得到以下結論：

1）通過在真空開關兩端反向并聯續流二極管，使真空開關電弧電流過零后獲得零電壓介質恢復時間，有利于真空介質強度恢復和電流的關斷。

2）短路關斷時，主回路對關斷電容充電使斷路器兩端出現大于系統電容的過電壓，可以通過并聯壓敏電阻來限制過高的過電壓。

3）關斷過程中關斷晶閘管承受反向電壓為關斷電容與斷路器兩端電壓之差，壓敏電阻不起作用時，關斷晶閘管關斷過程不承受反壓。

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