4 kV/400 A真空直流斷路器設計

2015-01-04 06:24:24徐國順江壯賢

船電技術 2015年11期

楊成，徐國順，江壯賢

(海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033)

0 引言

4000 V/400 A等級直流斷路器可以用在船舶直流電力系統中，作為負荷開關使用，起到額定投切的作用。在這個電壓電流等級上，真空開關具有體積小、價格低、壽命長、可靠性高等優點?；谡婵諟缁∈覐娖葥Q流關斷原理的真空直流斷路器具有通態損耗小、分斷能力強、觸頭燒損小、電氣壽命長、體積小、價格低等優點，是近年來直流斷路器的一個新的發展方向。正常工作時，主回路電流從真空開關流過，當需要分斷時，真空開關首先打開至額定開距，之后脈沖強迫關斷回路發出一個與主回路電流方向相反的反向關斷脈沖電流，迫使真空開關中的電流迅速減小過零，電流一旦過零，電弧便很快被熄滅，由于真空滅弧室在電流過零點具有極強的介質強度恢復能力，電弧不再重燃[1-2]。

1 組成及原理

圖1 直流真空斷路器組成

1.1 組成

圖1所示為直流系統及強迫換流型真空斷路器組成，直流電源E與線路電阻Rc、線路電感Lc、真空開關S1和負載電阻RL、電感LL串聯。正常工作電流由真空開關S1上流過。強迫換流電路包括關斷電容C及電感L，通過導通開關S2與真空開關S1并聯。

1.2 直流斷路器強迫關斷原理

根據電弧的理論，電弧熄滅所必需的條件之一就是電弧電流必須要過零點。由于直流電弧沒有自然零點，所以熄滅電弧就變得異常困難，因此分斷時需在回路中投入反向電流，人工產生電流過零點，實現分斷，這就是所謂的強迫換流原理。圖2為典型的強迫換流原理示意圖。正常通流時，電流從真空滅弧室上流過，觸頭電阻低，通態壓降小，功耗較低。分斷時，邏輯控制電路發出分閘指令后，立即觸發驅動真空開關 S1分離，S1觸頭達到滿行程后，通過S1的輔助觸點控制S2快速觸發閉合，預儲能的換流電容C放電，放電電流方向與主電流方向相反，強迫主回路電流從觸頭支路轉移到C-L-S2支路，觸頭電流S1逐漸減小直至過零熄弧，關斷電容不斷地被反向電流充電，觸頭兩端出現恢復過電壓，直到主回路電流減小到0。

圖2 直流斷路器分合閘原理

2 關斷電路參數設計

換流參數的設計主要受到三方面的制約：1）換流電流的幅值必須高于待分斷電流；2）電容電感盡量取小，電容電感越小，真空開關體積越小、經濟性越好。

換流回路頻率高時，換流回路的電容電感較小，開關的體積也較小，成本較低，但是存在的弊端是由于觸頭介質恢復時間減少，導致開斷困難。如果換流頻率低，則會導致開關體積大、成本高，但是此時開斷比較容易。

圖3為積累的實驗數據，以200 A/μs的di/dt分斷3 kA直流電流時，滅弧室成功耐受7 kV/μs、峰值6 kV的反向分斷過電壓。預期400 A以下直流電流，真空開關分閘到位后，采用100 A/μs的di/dt參數進行強迫分斷，足以取得成功。

由公式

其中：Im為關斷電流峰值；

di/dt=100 A/μs；

取Im=2I=800A。

為關斷電容預充電電壓，分別設為UC0=500 V、1000 V、2000 V，由公式(1)(2)計算得，C1=12.8 μF，L1=5 μH；C2=6.4 μF，L2=10 μH；C3=3.2 μF，L3=20 μH。

從關斷過程考慮，減小預充電電壓有利于關斷，最終擬采用C=10 μF、L=5 μH、UC0==500 V的方案。

3 仿真計算

采用EMTP仿真軟件對4 kV/400 A斷路器開斷額定電流進行仿真分析，按實際實驗線路及斷路器設計參數建立仿真模型，參數如表1所示，其中導通開關S2合閘機械延時為25 ms。

分閘仿真結果如圖4所示。

在零時刻投入400A主回路電流，真空開關S1在主回路投入電流零時刻后2 ms時打開，經過23 ms關斷開關合閘延時發出關斷電流，關斷電流以100 A/μs的速度上升，4 μs后通流開關觸頭上的電流為0，350 μs后主回路電流下降為0，開斷成功。

圖4 仿真圖形

表1 仿真參數

4 開斷試驗

對設計的新型斷路器，在實驗室搭建了試驗平臺，進行了相關試驗。試驗中采用電源為脈沖電容模擬額定400 A電流進行分斷試驗，實驗中主電容預充電5000 V，關斷時刻主電容剩余電壓為3890 V，系統電阻Rc=10 Ω，此時系統電流為389 A。關斷電路參數為關斷電容C=10 μF、關斷電感L=5 μH、關斷電容預充電電壓UC0=500 V。分斷過程波形如圖5所示，觸頭燃弧25 ms后。投入換流電流，經過3.3 μs的換流過程，電流下降過零，關斷成功。其中CH1為主回路電流，當投入關斷電流后，主電流成功實現分斷，實驗結果與仿真基本一致。