一種改進型真空直流限流斷路器研究

龍 潤，劉 擘

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

一種改進型真空直流限流斷路器研究

龍 潤，劉 擘

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

分析了強迫關斷型真空直流斷路器的工作原理，采用在真空滅弧室兩端反并續流二極管的方法，推遲了真空滅弧室電流過零后兩端反向電壓出現的時間，提高了真空滅弧室電流的過零關斷的可靠性。對該直流限流斷路器系統進行理論分析仿真，最后進行實驗，實驗結果與理論分析一致，說明該限流斷路器方案準確、可行。

真空直流斷路器 仿真

0 引言

隨著國民經濟的發展，城市用電負荷的增加，對電力系統的容量需求越來越高。在美國、日本、德國等發達國家已越來越多地采用直流輸電。為了限制直流短路電流，保護用電設備的安全，亟需研制限流能力強、可靠高的直流斷路器[1]。

基于功率半導體的直流斷路器動作速度快、限流效果好且不產生電弧，理論上可無限次重復使用。但是功率半導體的導通壓降高、熱損耗大，且價格昂貴，難以在大容量系統中廣泛應用[2]。

采用電流轉移原理使交流真空滅弧室中的電流強迫過零關斷是另外一種關斷直流電流的有效方法，該方法近年來在國際上得到了大量關注，俄羅斯、以色列、日本、中國[3-6]均有相關的研究報道。文獻[7]設計了額定1500 V/4000 A的直流限流斷路器，可開斷預期電流峰值50 kA，上升率3 A/μs的短路電流。其觸頭操動機構采用永磁機構，用一根操縱桿按照不同的杠桿比，對兩臺真空滅弧室進行驅動，在主回路滅弧室開斷的同時實現反向電流回路滅弧室的閉合。該方案同樣存在分閘時間過長（3.6 ms）的問題。

1 強迫關斷型真空直流限流斷路器工作原理

強迫關斷型真空直流限流斷路器一般由三個并聯的支路組成，包括真空滅弧室及其高速驅動機構支路、強迫關斷支路、能量吸收支路，如圖1虛線方框內所示。正常工作時電流從真空滅弧室支路流過。由于真空滅弧室觸頭接觸電阻比較小，可以長時間通過較大額定電流而不產生過大的熱損耗。當需要分斷時或線路中出現故障時，控制器檢測出故障后給真空滅弧室觸頭高速驅動機構發出動作信號，如圖2所示的(a)點。經過一定的機械延時后真空滅弧室觸頭在(b)點打開并產生電弧。此時電流繼續從真空滅弧室上流過，(c)點時晶閘管TH2導通，預先充好電的電容C1通過晶閘管和電感L1向真空滅弧室放電形成與主回路電流方向相反的脈沖電流。當反向脈沖電流幅值大于短路電流時，真空滅弧室中的電流減小到零，即圖中(d)點。由于真空滅弧室在電流過零點具有極強的熄弧能力，電流一旦過零電弧便很快熄滅，電路中剩余的能量由壓敏電阻MOV支路吸收。

圖1 真空直流斷路器工作原理

圖2 真空直流斷路器關斷過程

強迫關斷型真空直流斷路器能否成功關斷直流電流的關鍵在于真空滅弧室過零熄弧的可靠性，采用圖1所示原理的斷路器，在滅弧室電流過零瞬間，電容C1的剩余電壓會直接加于滅弧室兩端，即圖2所示的V1，特別是當關斷電流較小時該電壓會接近C1的充電電壓，滅弧室在該反向電壓的作用下容易反向擊穿而使電流關斷失敗。為了解決該問題本文在真空滅弧室兩端并聯了反向的續流二極管，如圖3所示。當真空滅弧室中的電流在反向電流作用下強迫過零時，由于反并續流二極管D1導通，真空滅弧室獲得了一段零電壓的絕緣恢復時間，直到反向關斷回路電流小于主回路電流時D1截止。

2 改進型斷路器原理分析及仿真

圖3所示為改進型真空直流斷路器原理圖，D1為滅弧室兩端反并二極管， D2為關斷電感的續流二極管，R3、C3和D3構成的RCD緩沖電路用于抑制晶閘管TH截止時兩端出現的過電壓。

圖3 改進型真空直流限流斷路器結構

假設正常工作時主回路電流為I0，在t0時刻發生短路故障且電流以上升率di/dt=k的速度增大，經過一段時間的檢測判斷后給高速觸頭機構發出動作信號，真空滅弧定動靜觸頭經一定的機械延時后分離，設該時刻為t1，同時反向電流在t1時刻發出，則有

依據實際線路參數，運用EMTP仿真軟件對圖3所示結構的限流斷路器進行仿真，用脈沖電容放電來模擬短路故障，仿真參數如表1所示。

當主回路電流大于800 A時斷路器認為系統發生短路故障，控制器對高速觸頭機構發出動作信號，真空滅弧室動靜觸頭分離，同時反向強迫關斷回路發出反向關斷脈沖電流，當脈沖電流大于主回路電流時反并二極管導通，如圖4曲線4所示，當反向關斷脈沖電流衰減至小于主回路電流時反并二極管截止，之后主回路向關斷電容反向充電，當電容C1電壓大于電源電壓時，主回路電流開始下降，當觸頭兩端電壓上升至壓敏電阻的動作值時，壓敏電阻導通吸收儲存于線路電感中的能量。仿真結果表明，在故障電流上升率3 A/μs時，斷路器能將主回路電流峰值限制為1450 A，斷路器兩端過電壓峰值約1500 V，滅弧室的零電壓恢復時間約80 μs。

表1 改進行限流斷路器仿真參數

圖4 真空直流斷路器仿真結果

3 短路分斷試驗

在實驗室完成了短路分斷實驗，利用脈沖電容放電來代替直流短路上升電流，實驗原理圖如圖5所示，其中C0為主回路電容，TH為主回路導通晶閘管，TH兩端反并了二極管D0，R0、L0分別為主回路電阻和電感，具體試驗電路參數與表1所列參數一致。試驗結果如圖6所示。

圖5 短路分段實驗原理圖

由試驗結果可以看出，采用電流轉移原理可以迫使真空滅弧室電流過零，進而成功地開斷短路電流。在滅弧室兩端反并的續流二極管可使滅弧室在電流截止后獲得一段零電壓恢復時間，保證滅弧室關斷的可靠性，續流二極管截止后，關斷電容被反向充電，當反向充電電壓超過壓敏電阻動作的域值后，壓敏電阻起作用，關斷電容電壓不再上升，關斷電流與主回路電流不再重疊。實驗結果與仿真基本一致。

圖6 限流分斷試驗波形

4 結論

本文研究了基于真空滅弧室強迫關斷原理的直流限流斷路器，它利用真空滅弧室絕緣恢復能力強的特點，采用電流轉移原理實現真空滅弧室直流電弧的強迫過零關斷。對此限流斷路器系統進行仿真，最后進行實驗，實驗結果與理論分析一致，說明該限流斷路器方案準確、可行。

[1] 莊勁武, 張曉鋒, 楊 鋒, 等.船舶直流電網短路限流裝置的設計與分析[J].中國電機工程學報.2005, 25(20) : 26-30.

[2] Polman H, Ferreira J A, Kaanders M, et al.Design of a bi-directional 600V/6kA ZVS hybrid DC switch using IGBTs[J].IEEE Trans. on Power Delivery, 2001, 16(2): 1052-1059.

[3] D.F. Alferov, V.P. Ivanov, V.A. Sidorov, "High-current vacuum switching devices for power energy storages", IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 35, pp.323-327, Jan. 1999.

[4] A Hybrid Repetitive Opening Switch For Inductive Storage Systems And Protection Of DC Circuits

[5] Implementation Aspects of DC Hybrid Opening Switch

[6] Odaka, H., M. Yamada, et al. (2007). "DC interruption characteristic of vacuum circuit breaker." Electrical Engineering in Japan 161(1): 17-25.

[7] 董恩源, 叢吉遠, 鄒積巖, 等.1500 V船用新型直流斷路器的研究[J].中國電機工程學報, 2004, 24（5）: 153-156.

Research on a Modified DC Vacuum Current Limiting Circuit Breaker

Long Run, Liu Bo
(Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China )

The working principle of forced on-off DC vacuum switch is analyzed. By using the vacuum arcing chamber at both ends and fly-wheel diode, reverse voltage on both ends is delayed after the current of the vacuum arcing chamber is zero, and the reliability that arcing chamber at zero current is required to be shut off is improved. By theoretical analysis and simulation of the DC current limiting circuit breaker system, the experimental results are consistent with theoretical analysis, and show that the current limiting circuit breaker is accurate and feasible.

DC vacuum switch; simulation

TM46

A

1003-4862（2015）06-0075-03

2015-04-12

龍潤（1987-），男，助理工程師。研究方向：電氣工程。