基于PSCAD／EMTDC的10 k V混合式固態斷路器的仿真研究

渠博崗，易映萍

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093）

0 引 言

目前的輸配電領域中，機械式斷路器的應用依舊非常廣泛。而機械式開關在通斷過程中，往往會有涌流和電弧，容易對開關的觸點造成燒蝕。在發生短路等事故時，動、靜觸頭分離產生的電弧也影響了常規開關的動作時間和動作速度，很容易因短路故障造成電網電壓的中斷和跌落，使得事故擴大。隨著可控硅的不斷發展，固態斷路器應運而生，固態斷路器的原理是通過檢測電壓過零與電流過零來實現導通與關斷。因此完全避免了開通涌流和關斷電弧的產生，且通斷時間的數量級一般在毫秒至微秒級，因此能滿足故障保護對開關速動性能的要求。然而由于可控硅在導通時存在壓降，導致在大電流通過可控硅時損耗增加與負載能力的下降，為避免熱擊穿需要強迫散熱，且可控硅對電壓變化率較為敏感。

基于此，本文提出了一種混合式固態斷路器，即將電子開關與機械式斷路器并聯，既可以發揮機械斷路器運行功耗小的優點，免去了笨重的冷卻裝置，又可以實現可控硅開關過零快速投切的功能，把二者結合起來的關鍵是機械斷路器與電子開關開斷時序的配合。機械式斷路器在開通和關斷時刻配合電子開關實現開通關斷無涌流、無電弧。當機械斷路器接通后電子開關就立即關斷，機械斷路器負責接通負載后的長時間運行［1］。

1 10 kV混合式固態開關主電路拓撲結構及工作原理

1.1 10 k V混合式固態開關主電路拓撲結構

10 k V混合式固態斷路器拓撲結構如圖1所示，由機械式開關和電子開關并聯。機械開關PS作為正常工作時的電流通道，由6組反并聯晶閘管組成的電子開關部分只負責機械式斷路器通斷切換時的動態換流。在需要對負載供電時，機械式斷路器合閘信號與電子開關導通信號同時發出，由于機械式斷路器有導通延時，故電子開關先導通來建立電流。隨后機械式斷路器導通，由于機械式斷路器阻抗遠小于電子開關，所以電子開關被旁路，檢測裝置檢測到機械式斷路器導通后封鎖電子開關驅動脈沖，合閘過程完成；分閘過程利用自然換流原理。當發生短路等故障需要切除電源時，機械式斷路器分閘信號與電子開關關斷信號同時發出，由于機械式斷路器分閘的延時，電子開關兩端電壓為零。隨后當機械式斷路器分閘，主觸點兩端產生的電弧過電壓使電子開關導通，電流轉移到電子開關上，檢測裝置檢測到機械式斷路器分閘后立即封鎖電子開關驅動脈沖，分閘過程完成。

1.2 10 kV混合式固態開關工作原理

混合式固態開關合閘時，電子開關與機械式斷路器同時啟動，由于電子開關的導通無需延時，而機械式斷路器需要約50 ms的啟動延時，回路中的電流首先流過電子開關，電流建立過程如圖2（a）所示。機械式斷路器閉合后，電子開關被旁路，電流從機械式斷路器中流過，如圖2（b）所示，此時斷開電子開關，完成合閘動作。這種先電子開關后機械式斷路器的啟動方式保證了混合式固態開關在合閘時的快速性。

圖3 混合型固態開關的關斷過程

2 基于PSCAD／EMTDC的晶閘管串聯電路仿真研究

PSCAD／EMTDC是研究電力設備和電力網絡暫態行為的工業標準仿真工具，以FORTRAN程序語言為內核計算，由EMTDC電磁暫態模擬程序進行計算，最后由PSCAD完成圖形化界面。本文基于PSCAD／EMTDC仿真軟件，采用面向對象的建模方法對混合式固態斷路器進行了建模與仿真［3］。

2.1 不同類型負載下晶閘管觸發方式的仿真

晶閘管采用同步觸發信號，觸發電路模型如圖4所示，該模型下反并聯的兩只晶閘管觸發角度相差180°。在交流電壓過零時產生晶閘管觸發脈沖，當電源電壓波形由負變為正時，正向晶閘管被觸發導通、當電源電壓波形由正變為負時，反向晶閘管被觸發導通，觸發脈寬為2 ms。晶閘管觸發脈沖與交流電源相位如圖5所示。

圖2 混合型固態開關的開通過程

混合式固態開關分閘時，電子開關關斷信號與機械式斷路器分閘信號同時發出，由于機械式斷路器分閘存在延時，在機械式斷路器動靜觸頭分離的瞬間，其兩端的反電勢使得電子開關導通，電流從電子開關流過，旁路斷路器處于空載分閘狀態，如圖3（a）所示，這就避免了負載電流過大產生關斷電流燒蝕金屬觸頭，如圖3（b）所示。機械式斷路器關斷后，電子開關在下一個電流過零點自然關斷，分閘過程完成，如圖3（c）所示［2］。

圖4 晶閘管觸發電路模型

圖5 晶閘管觸發脈沖與交流電源相位關系

2.2 晶閘管阻容保護回路的仿真

雖然目前已經研制出8 000 A／12 k V的晶閘管，但其造價太高，還未普及。所以為了得到適用于高電壓的電力電子設備，仍需要將電力電子器件串聯來實現擴容。由于器件特性的分散性，電力電子器件串聯會存在靜態不均壓、動態不均壓及因觸發或導通不一致而形成電壓沖擊等問題。

為了確定靜態均壓電阻Rp的值，假設N個串聯晶閘管中第i個晶閘管阻斷，其余的全部導通，則第i個晶閘管兩端分得的電壓最大，為Um。同時，其余的晶閘管均擁有最小的斷態電阻Roff（min），即此時流過其余晶閘管的漏電流最大且相同，設為Ib。根據電路原理，可以得到方程：

設：

將式（2）代入式（1），得：

式中，Um為串聯晶閘管中需承受最大關斷電壓值的管端電壓，通常取為晶閘管可重復關斷電壓URRM的一半；ΔU為串聯晶閘管中最大管端電壓與最小管端電壓之間的差值；n為百分比系數，通常取為10，即ΔU＝10%Um，則有：

即靜態均壓電阻一般取為串聯晶閘管最小斷態電阻值的二十分之一。

晶閘管的斷態電壓臨界上升率d u／d t標明了晶閘管在額定結溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態轉入通態的最低電壓上升率。若電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的臨界值，則晶閘管會在無門極信號的情況下開通，而且在實際情況中，串聯的晶閘管無法保證同時導通，所以后導通的晶閘管會承受短時間的高壓，形成電壓沖擊。為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運行，常在晶閘管兩端并聯RC阻容吸收網絡，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。

從最極端的情況來考慮，假設N個串聯晶閘管中第i個晶閘管的反向恢復電荷值Qrri最小，其余N-1個晶閘管均擁有相同且最大的反向恢復電荷Qrr（max）。則第i個晶閘管與其余N-1個晶閘管反向恢復電荷的差值為ΔQrr＝Qrr（max）－Qrri。顯然，在晶閘管閥組關斷時，晶閘管i需要額外承擔電壓為：

則，緩沖電容的容值為：

動態均壓電阻的計算，可由如下公式獲得：

式中，Lc為換相電感；KRI為比例系數，一般取1.5～

2.5 ；N為每閥中晶閘管數量；C為阻尼電容。

10 kV混合式固態開關晶閘管串聯電路主回路的仿真模型如圖6，仿真用晶閘管選用優派克（EUPEC）的T1503型晶閘管，查閱其手冊，計算得靜態均壓電阻Rp選取0.625 kΩ。RC選取為R＝8.6～14.4Ω，C＝2.6μF

圖6 晶閘管串聯電路主回路

圖7 分別為晶閘管兩端加裝RC吸收網絡和不加裝RC吸收網絡的仿真波形，為了使得效果明顯，將圖1所示串聯的晶閘管VT11～VT15與晶閘管VT16導通時間差改為500μs，晶閘管兩端波形如圖7。由圖7（b）可以看出，加裝RC吸收網絡后，晶閘管兩端的過電壓得到了控制，沖擊電壓幅值由1.9 k V降到了1.27 k V，說明選擇的RC參數有效地限制了晶閘管兩端過電壓［4，6］。

圖7 晶閘管兩端電壓波形

3 動作特性仿真與分析

3.1 混合式固態斷路器主回路

圖8為混合式固態斷路器主回路，交流電源選取10 k V／50 Hz，晶閘管驅動脈沖在交流電壓過零時發出，脈寬為2 ms，UVT1、UVT2分別表示晶閘管 VT11、VT21兩端電壓，UBRK表示機械式斷路器兩端電壓，I1、I2、I3分別表示機械式斷路器電流、正向晶閘管電流、反向晶閘管電流。仿真條件設置如下：晶閘管觸發為理想狀態，即正向或反向晶閘管都同時導通，單只晶閘管通態電阻為0.01Ω，斷路器合閘后電阻為0.005Ω。

圖8 混合式固態斷路器自然換流主回路

3.2 合閘過程仿真與分析

合閘電路構成如圖9所示。該電路實現相電壓Ua的過零檢測與比較，并輸出方波來作為晶閘管的驅動脈沖。當合閘指令發出后，晶閘管閥組導通指令和機械式斷路器合閘指令同時發出，若該時刻相電壓Ua未過零，則過零檢測電路通過檢測相電壓Ua的方向來選擇輸出正向或負向晶閘管閥組驅動脈沖，由于機械式斷路器導通有一定的延時，所以該方向晶閘管閥組導通，導通電流建立。隨后機械式斷路器合閘，晶閘管閥組被旁路且晶閘管驅動脈沖被封鎖，合閘過程完成［7］。

圖9 合閘電路

如圖10所示，U a為相電壓波形，G1、G2為晶閘管觸發脈沖，BRK為斷路器動作信號。當合閘指令發出后，合閘信號Enable變成高電平，此時電源電壓Ua處于正半周，故正向晶閘管驅動信號G1輸出一個脈寬為2 ms的觸發脈沖，正向晶閘管導通，負載兩端電壓Ud出現且和電源電壓Ua相位、大小都相同。且導通電流建立，隨后機械式斷路器合閘，晶閘管閥組被旁路，合閘過程執行完成。

圖10 合閘過程波形

3.3 分閘過程仿真與分析

分閘電路構成如圖11所示。利用自然換流原理，當需要切除電源時，機械式斷路器分閘指令和晶閘管觸發脈沖同時發出。機械式斷路器分閘時，主觸點兩端產生電弧電壓，該電壓使晶閘管閥組導通，這樣負載電流就從機械式斷路器轉移到了晶閘管閥組，從而實現了分閘無電弧。

圖11 分閘電路

如圖12所示，Ia為相電壓波形，G1、G2為晶閘管觸發脈沖，BRK為斷路器動作信號。當分閘指令發出后，分閘信號Disenable變成高電平且分閘信號BRK也發出，此時相電流Ia處于負半周，故負向晶閘管驅動信號G2輸出一個脈寬為2 ms的觸發脈沖，由于機械式斷路器分閘后兩端存在電弧反電勢，所以負向晶閘管導通，電流轉移到負向晶閘管，當負向晶閘管電流過零后，分閘過程完成，此過程實現了分閘無電弧。

圖12 分閘過程波形

4 結 論

本文利用PSCAD／EMTDC仿真軟件，對混合式

固態斷路器進行了模型的建立，并通過仿真分析了晶閘管觸發方式、晶閘管阻容保護回路以及混合式固態開關的動作特性，為混合式固態斷路器的設計提供了仿真研究的基礎。

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