整流發(fā)電機(jī)出口斷路器分析與設(shè)計(jì)

劉路輝 莊勁武 江壯賢 王 晨

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著艦船綜合電力系統(tǒng)的提出，電力推進(jìn)方式和高能武器的出現(xiàn)，艦船電力系統(tǒng)發(fā)生革命性的變化，其地位從輔助系統(tǒng)變成主動(dòng)力系統(tǒng)，容量急劇增大，電壓等級進(jìn)入中壓領(lǐng)域，額定參數(shù)將達(dá)到5kV。直流區(qū)域配電以其高效、靈活的優(yōu)點(diǎn)成為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的首選[1,2]。艦船中壓直流電力系統(tǒng)主要由多臺多相整流發(fā)電機(jī)并聯(lián)模塊構(gòu)成電源，以電力電子變流裝置為核心元件。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是額定電流大，線路阻抗小、時(shí)間常數(shù)小、供電連續(xù)性要求高。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，變換器的存在可有效地阻隔負(fù)載電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流，短路電流主要由整流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，峰值大、時(shí)間短，發(fā)電機(jī)瞬態(tài)過程結(jié)束后迅速衰減[3,4]。整流發(fā)電機(jī)出口斷路器作為電源保護(hù)裝置在整個(gè)系統(tǒng)中具有重要作用，需要具備大額定電流通流和雙向保護(hù)功能。

混合型直流真空斷路器（Hybrid DC Vacuum Circuit Breaker，HDCVCB）是直流開斷的有效方式。它由高速真空機(jī)構(gòu)并聯(lián)換流電路及限壓吸能組件組成，基于強(qiáng)迫換流原理在真空觸頭上制造電流過零點(diǎn)使電弧熄滅來開斷電路[5-7]。具有代表性的研究成果有：大連理工大學(xué)為某型潛艇直流電源設(shè)計(jì)了額定1 500V/4 000A 的直流真空限流斷路器[8]，可開斷最大預(yù)期短路電流50kA，上升率3A/μs 的短路電流。西安交通大學(xué)研制的強(qiáng)迫換流型斷路器已進(jìn)行了4.1kA 和29kA 的分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)[9]。日本東芝公司為鐵路直流系統(tǒng)研制最高參數(shù)1 500V/4 000A 的高速直流真空斷路器，并進(jìn)行了商品化[10,11]。俄羅斯全俄電力技術(shù)研究所研制了額定3.3kV/3 000A 直流真空限流斷路器，并進(jìn)行了180A 小電流、1.9kA 近額定電流和10kA 短路電流三種不同工況下的開斷實(shí)驗(yàn)[12]。上述斷路器均為單向開關(guān)，不具備雙向保護(hù)功能，且難于滿足艦船中壓直流電力系統(tǒng)的參數(shù)要求。海軍工程大學(xué)研制了應(yīng)用于艦船低壓直流電力系統(tǒng)的雙向混合型直流限流斷路器[13-15]，并對換流過程進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證，但方案采用的是空氣觸頭機(jī)構(gòu)和先換流后分?jǐn)嗟目刂撇呗?，不適用于中壓直流分?jǐn)唷?/p>

本文針對整流發(fā)電機(jī)出口斷路器雙向不對稱的特殊保護(hù)要求，提出了一種基于強(qiáng)迫換流原理的混合型直流真空整流發(fā)電機(jī)出口斷路器（以下簡稱混合型直流真空斷路器）方案，介紹了其工作原理，對換流過程、雙向阻抗非對稱調(diào)節(jié)分流比等進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。

2 整流發(fā)電機(jī)出口斷路器的保護(hù)要求

圖1 所示為典型的艦船直流電力系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)電源模塊一般由一臺大功率整流發(fā)電機(jī)組 G1和小功率整流發(fā)電機(jī)組G2并聯(lián)組成，固態(tài)逆變器從直流母線上取電逆變后為交流負(fù)載供電，整流發(fā)電機(jī)出口和各負(fù)載支路安裝保護(hù)電器。

圖1 艦船直流電力系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of the DC power system in ship

以整流發(fā)電機(jī)G1的出口斷路器Q1為例，通過不同的故障工況，說明系統(tǒng)對整流發(fā)電機(jī)出口斷路器的保護(hù)要求。

故障出現(xiàn)在負(fù)載支路（如f1），故障會被負(fù)載支路保護(hù)開關(guān)或熔斷器瞬動(dòng)切除，則Q1不動(dòng)作或作為負(fù)載保護(hù)的后備，需要耐受整流發(fā)電機(jī)G1自身提供的短路沖擊電流，峰值可達(dá)70kA 以上；

故障出現(xiàn)在直流母線上（如f3），則Q1需耐受整流發(fā)電機(jī)G1自身提供的短路沖擊電流一定時(shí)間后再分?jǐn)?，通常短延時(shí)時(shí)間為100ms，則分?jǐn)帱c(diǎn)電流約20～40kA，分?jǐn)鄺l件苛刻，分?jǐn)嚯娏鬏^大。

短路出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)側(cè)（如f2），Q1需要瞬動(dòng)分?jǐn)嘤刹⒙?lián)機(jī)組G2提供的短路電流，且全分?jǐn)鄷r(shí)間應(yīng)小于整流發(fā)電機(jī)內(nèi)部集成的保護(hù)熔斷器的耐受時(shí)間。這種工況為異常情況，設(shè)定動(dòng)作值一般較低，小于1kA，需要瞬動(dòng)分?jǐn)嗌仙市∮?A/μs 的短路電流，且要求限流在10kA 以內(nèi)。

由此可見，發(fā)電機(jī)側(cè)故障時(shí)分?jǐn)嚯娏餍。謹(jǐn)嗨俣瓤?，而電網(wǎng)側(cè)故障時(shí)需耐受大峰值的短路電流后再延時(shí)分?jǐn)啻箅娏?，整流發(fā)電機(jī)出口斷路器的這種保護(hù)要求還具有嚴(yán)重的雙向非對稱性。因此，具備雙向分?jǐn)喙δ芎拖鄳?yīng)分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲餮兄齐y度大大增加。

3 混合型直流真空斷路器工作原理

混合型直流真空斷路器典型結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它由斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)、換流電路（F-L-C-D）和避雷器（MOA）并聯(lián)組成。作為HDCVCB 的核心，觸頭機(jī)構(gòu)必須綜合額定電流通流、短路電流耐受和高頻電流開斷能力。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，能夠及時(shí)快速動(dòng)作，具有較高的初始速度，以便快速形成足夠的開距。真空滅弧室以其優(yōu)異的介電性能和高頻電流分?jǐn)嗄芰Τ蔀闄C(jī)械觸頭系統(tǒng)的首選，基于電磁斥力原理的斥力機(jī)構(gòu)具有始動(dòng)快，結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)選定為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)方案[16]。換流回路中的電流投入開關(guān)是HDCVCB 的關(guān)鍵技術(shù)之一。它們的運(yùn)行特點(diǎn)是電壓高、電流峰值大、電流上升率高、脈寬窄、能量釋放迅速，以晶閘管、二極管為代表的電力電子開關(guān)優(yōu)勢比較明顯[17]。在分?jǐn)噙^程中，系統(tǒng)中儲存的大量能量需要吸收，以氧化鋅非線性電阻為基本元件的避雷器，限壓吸能效果優(yōu)異。

圖2 HDCVCB 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Scheme of HDCVCB

正常情況下，斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)，換流晶閘管組件處于關(guān)斷狀態(tài)，換流電容預(yù)充電。當(dāng)傳感器檢測到故障電流或控制器接到分閘指令后，立即觸發(fā)斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)觸頭分離（t1），真空滅弧室觸頭分離形成真空電弧，觸頭間產(chǎn)生弧壓。當(dāng)觸頭間隙形成足夠的開距或延遲一定的時(shí)間后（t2），根據(jù)所測得的短路電流方向，控制器向晶閘管組件F1或F2發(fā)出導(dǎo)通信號。以導(dǎo)通F1為例，主回路電流i 開始向換流回路轉(zhuǎn)移，換流電容C 的放電電流iC一部分會從二極管組件VD1上流過，而另一部分經(jīng)二極管組件VD2匯入主回路，VI 支路電流iVI將逐漸減小直至過零熄?。╰3）。換流電流大于主回路電流部分將流過VD1支路（t3-t4）。VD1支路電流過零截止后，主回路電流全部轉(zhuǎn)移到F1-L-C-D2支路上（t4），同時(shí)斷路器兩端出現(xiàn)正向過電壓。當(dāng)換流電容反充電壓大于MOA 動(dòng)作電壓后（t5），電流向MOA 支路轉(zhuǎn)移，MOA 開始限壓吸能。隨著F1電流減小到零后截止關(guān)斷，短路電流全部轉(zhuǎn)移到MOA 上（t6），系統(tǒng)感抗中存儲的能量被MOA 吸收耗散（t6-t7），最終電流減小到零被切斷，分?jǐn)噙^程結(jié)束（t7），如圖3 所示[18]。在電感L 兩端并聯(lián)續(xù)流二極管的目的是為了減小晶閘管組件通過浪涌電流后截止時(shí)的du/dt 和降低電容反充電壓幅值?；趶?qiáng)迫換流原理的HDCVCB 通流能力強(qiáng)，分?jǐn)鄷r(shí)間短，分?jǐn)嚯娏鞲?，限流效果和工程適用性好。

圖3 HDCVCB 分?jǐn)噙^程示意圖Fig.3 Waveforms of HDCVCB breaking process

斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)VI 上并聯(lián)雙向二極管組件VD1和VD2的作用有兩個(gè)：①與晶閘管組件F1和F2配合實(shí)現(xiàn)斷路器的雙向分?jǐn)喙δ?；②使分?jǐn)噙^程中恢復(fù)過電壓出現(xiàn)的時(shí)刻后移，為觸頭電流過零后動(dòng)靜觸頭間介質(zhì)恢復(fù)創(chuàng)造了近似零電壓的恢復(fù)過程，增強(qiáng)了弧后觸頭間隙承受恢復(fù)電壓的能力，提高了分?jǐn)嗫煽啃浴?/p>

4 換流過程理論分析

圖4為HDCVCB 的換流過程等效電路圖。電容C 開始放電時(shí)，經(jīng)過斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)回路的放電電流為iC2，經(jīng)過二極管VD1回路的放電電流為iC1，iC= iC2+iC1，兩條電路的電流分配與電弧電壓、各支路及連接線的阻抗、二極管壓降有直接關(guān)系。斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)上的電流iVI等于主回路電流i 減去電容C 經(jīng)斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)的放電電流iC2。

圖4 換流過程等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit of commutation

各支路的電流有如下關(guān)系

假設(shè)分?jǐn)嘁院愣ㄉ仙蔾 線性上升電流i，U0為電容C 的預(yù)充電電壓，則得到如下方程組

由上式可見，當(dāng)

二極管VD1支路將導(dǎo)通，開始分流。對于分?jǐn)嘞嗤碾娏鞫?，換流電流在換流過程最好全部從VI 支路上流過，不向VD1支路分流，以減小換流參數(shù)。從分?jǐn)嘟嵌瓤凑婵针娀‰妷悍递^低，一般為20V 左右，斷路器在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)上可以采取下列措施：

（1）雙向二極管組件與換流（C-F-L）回路分別并聯(lián)到斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)上，去除換流過程中的公共連接線阻抗對分流的影響。另外，盡量選用低阻抗的二極管組件。

（2）換流回路與斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)回路連接點(diǎn)設(shè)置在滅弧室動(dòng)、靜端，以減小連入的斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)回路阻抗。

5 換流過程仿真分析

5.1 阻抗參數(shù)的影響

采用EMTP 軟件搭建出HDCVCB 的模型，對換流過程進(jìn)行仿真分析。圖4 中的線路參數(shù)是影響仿真準(zhǔn)確性的關(guān)鍵參數(shù)，本文通過實(shí)際測量得到換流回路各參數(shù)為：EVI=20V，RVI=0.01mΩ，ED=4.5V，RD=0.5mΩ，LD=0.1μH，RL=0.5mΩ，LL=0.2μH，LVI分別取0.1 或0.2μH（改變連入換流回路的位置，機(jī)構(gòu)電感變化較大，電阻變化很?。粨Q流電流頻率為1.5kHz，換流電容預(yù)充電壓為2 倍系統(tǒng)電壓，換流電流幅值為預(yù)期短路電流的1.2 倍以上。以分?jǐn)嚯娋W(wǎng)側(cè)幅值25kA 的故障電流為例，分析去除公共連接線，減小連入斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)支路電感對換流過程的影響。假定圖1 中所示HDCVCB，左側(cè)為進(jìn)線端，進(jìn)線端短路意味著發(fā)電機(jī)側(cè)故障；右側(cè)為出線端，出線端短路代表電網(wǎng)側(cè)故障。

仿真結(jié)果如圖5 所示（圖中采用不同灰度的線型表示不同變量，采用不同粗度的線型區(qū)分不同條件下的仿真結(jié)果，時(shí)間起點(diǎn)與仿真設(shè)置有關(guān)，對分?jǐn)噙^程無影響），雙向二極管組件與換流（C-F-L）回路含有公共連接線（RL、LL）時(shí)，峰值高達(dá)65kA的換流電流不能分?jǐn)?5kA 電流；去掉公共連接線，主回路電流則可以成功換流至設(shè)計(jì)的換流回路，分流比例接近換流總電流的一半；進(jìn)一步減小連入換流回路的斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)支路電感，可以增加換流初期換流電流應(yīng)用于主回路換流的比例，提高換流速度及相同換流參數(shù)下斷路器分?jǐn)嗄芰Γ鰪?qiáng)了分?jǐn)嗫煽啃浴?/p>

圖5 不同參數(shù)下?lián)Q流過程波形對比Fig.5 Waveforms of different commutation parameters

5.2 雙向非對稱設(shè)計(jì)

結(jié)合上述分析，雙向二極管組件按照對稱性設(shè)計(jì)，則換流電流用于主電流分?jǐn)嗟谋壤畲蟛怀^一半。針對整流發(fā)電機(jī)出口斷路器的保護(hù)特性，可以通過支路阻抗的非對稱設(shè)計(jì)，在VD1支路增加分流比調(diào)節(jié)阻抗ZF，減小VD1支路的分流比例，優(yōu)化換流參數(shù)，對圖1 中的拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，形成圖6所示的改進(jìn)拓?fù)洹F 經(jīng)計(jì)算取為0.5mΩ/1.3μH，其他各參數(shù)參照上文。假設(shè)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障動(dòng)作設(shè)點(diǎn)值1kA，上升率3A/μs，換流電流投入延時(shí)1ms；電網(wǎng)側(cè)故障，電流幅值25kA，換流電流投入延時(shí)對換流過程無影響。

圖6 改進(jìn)的HDCVB 拓?fù)銯ig.6 Improved topology of HDCVB

組件對稱性設(shè)計(jì)時(shí)，雙向二極管為了保證發(fā)生電網(wǎng)側(cè)故障時(shí)能夠可靠分?jǐn)?，并預(yù)留一定的余量，支路分流幅值需要大于30kA，則換流電流峰值高達(dá)60kA 以上；發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)，分?jǐn)嚯娏鞣敌∮?kA，實(shí)際分流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于需求，換流能量極大浪費(fèi)。進(jìn)行雙向非對稱設(shè)計(jì)，通過調(diào)整支路阻抗參數(shù)，調(diào)節(jié)分流比，仿真結(jié)果如圖7 所示（圖中采用不同灰度的線型表示不同變量，采用不同線型區(qū)分不同設(shè)計(jì)結(jié)果，時(shí)間起點(diǎn)與仿真設(shè)置有關(guān)，對分?jǐn)噙^程無影響）。由圖7 可見，兩種參數(shù)均能實(shí)現(xiàn)滿足斷路器的雙向分?jǐn)喙δ?，但?jīng)過非對稱性設(shè)計(jì)后，換流電流幅值下降至小于40kA。這意味著換流電容能量縮減，整機(jī)功率、體積隨之減小了近1/2，同時(shí)降低了對脈沖功率組件電力電子器件的參數(shù)要求，為斷路器的工程實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

圖7 不同設(shè)計(jì)換流過程波形對比Fig.7 Waveforms of different designs of commutation

6 模擬分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)

在通過 HDCVCB 的仿真模型進(jìn)行斷路器參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證方案的可行性，研制了額定5kV/6kA 原理樣機(jī)，搭建試驗(yàn)平臺進(jìn)行了等效試驗(yàn)[19,20]，考慮到系統(tǒng)絕緣配合，通過避雷器的參數(shù)設(shè)計(jì)，將斷路器的開斷過電壓限定在10kV 左右，結(jié)果如圖8 所示。圖8a為發(fā)電機(jī)側(cè)故障保護(hù)波形。采用電容組作為電源，通過電抗器放電。調(diào)整參數(shù)得到近似發(fā)電機(jī)側(cè)故障時(shí)的電流上升率3A/μs，故障判斷閾值為1kA，短路電流被限流到峰值5kA，分?jǐn)鄷r(shí)間小于5ms，分?jǐn)噙^電壓小于10kV，分?jǐn)嘟Y(jié)束后試驗(yàn)系統(tǒng)電容組剩余電壓約5kV。圖8b為電網(wǎng)側(cè)故障保護(hù)波形。采用合成實(shí)驗(yàn)的方法，由電流源提供斷路器需要耐受的短路浪涌電流，高壓電壓源提供電流過零后的恢復(fù)電壓。分?jǐn)帱c(diǎn)真空觸頭機(jī)構(gòu)電流25kA，在電流過零后約160μs，恢復(fù)電壓以平均速度約30V/μs 加載至10kV，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)成功耐受恢復(fù)電壓。

圖8 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of prototype test

7 小結(jié)

混合型直流真空斷路器可以實(shí)現(xiàn)整流發(fā)電機(jī)的雙向保護(hù)。去掉二極管組件與換流回路公共連接線，減小連入換流回路的斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)支路電感，可以增加換流電流用于分?jǐn)嘀骰芈冯娏鞯谋壤岣邠Q流速度，增強(qiáng)換流可靠性，改善換流過程。雙向?qū)ΨQ設(shè)計(jì)時(shí)用于分?jǐn)嗟膿Q流電流比例不超過一半，設(shè)計(jì)雙向非對稱的換流支路阻抗是調(diào)節(jié)分流比的有效方法，換流參數(shù)得到優(yōu)化，整機(jī)功率、體積減小了將近1/2。理論和試驗(yàn)研究表明設(shè)計(jì)的混合型直流真空斷路器可以成功滿足整流發(fā)電機(jī)非對稱的保護(hù)要求，具有分?jǐn)嗨俣瓤?、可靠性高的?yōu)點(diǎn)。

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