單相限流式固態(tài)斷路器的研究

何棒棒++胡冰清++楊建國++林尤吉+陳云龍

摘 要：文章針對低壓交流場合，提出了一種基于功率MOSFET的單相限流式固態(tài)斷路器和相應(yīng)的過電壓抑制電路，分析了過電壓抑制電路的工作原理，給出了過電壓抑制電路的參數(shù)選擇的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：固態(tài)斷路器；MOSFET；過電壓

引言

斷路器用于隔離系統(tǒng)中發(fā)生過載或故障等異常行為，從而保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)免受巨大損失[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械式斷路器具有導(dǎo)通穩(wěn)定、帶載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但它也具有不能實(shí)時(shí)、靈活、連續(xù)和快速的動作，斷開負(fù)載時(shí)會在觸頭處產(chǎn)生電弧，觸頭易燒損，易抖動等缺點(diǎn)[2，3]，在消防電氣、智能電網(wǎng)或安全要求更高的場合，越來越難以滿足電力系統(tǒng)速動性的要求。近年來，由于固態(tài)斷路器關(guān)斷時(shí)間短、通斷無電弧、可控性好等優(yōu)點(diǎn)[4]，可以很好地解決機(jī)械式斷路器所暴露的缺點(diǎn)，滿足特定場合對速度性的需求[5-7]。

固態(tài)斷路器最初采用可控硅等半控型器件，相比傳統(tǒng)的機(jī)械式斷路器在開關(guān)速度上有了極大的提升，其最長關(guān)斷時(shí)間可達(dá)10ms，依然不能有效限制短路電流增長。隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，采用全控型的固態(tài)斷路器具有更快關(guān)斷速度，更小的導(dǎo)通損耗，已逐漸成為研究熱點(diǎn)并已應(yīng)用于很多系統(tǒng)中[4，7]。

針對以上特點(diǎn)，文章設(shè)計(jì)了一種用于低壓交流場合的固態(tài)斷路器。該固態(tài)斷路器選用了MOSFET作為開關(guān)器件，采用MOS管反向串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可大大降低通態(tài)損耗，同時(shí)具有更快的關(guān)斷速度，從而限制短路電流的最大峰值[8]。

1 電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/p>

圖1為所討論的單相限流式固態(tài)斷路器的等效電路圖。圖中方框內(nèi)為以反向串聯(lián)的MOSFET為主要元件的開關(guān)模塊，由于MOSFET的雙向?qū)щ娞攸c(diǎn)，可方便實(shí)現(xiàn)交流雙向控制。R為負(fù)載和線路等效電阻的和，L為線路等效電感，右半部分為過電壓抑制電路，由雙向觸發(fā)二極管（DIAC）、RC緩沖電路、續(xù)流電阻R1組成。

當(dāng)固態(tài)斷路器正常工作時(shí)，DIAC處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)有短路故障時(shí)，開關(guān)模塊兩端的電壓uds迅速升高，當(dāng)其高于DIAC的開通電壓時(shí)，DIAC導(dǎo)通，RC緩沖電路將起到過電壓抑制作用。當(dāng)線路能量逐漸釋放，短路電流減小，uds也隨之降低，達(dá)到DIAC的關(guān)斷條件，DIAC關(guān)斷。R0的作用是過電壓保護(hù)電路作用后，為電容C提供放電回路，一般設(shè)計(jì)R0阻值遠(yuǎn)大于電容容抗，故關(guān)斷過程中可將其忽略。當(dāng)DIAC導(dǎo)通后，圖1的虛線框中部分可等效為電容C和電阻Re的串聯(lián)，如圖2所示。

下面對過電壓抑制電路的工作過程進(jìn)行分析：

當(dāng)?shù)刃щ娐分校梢哉J(rèn)為，在短路故障保護(hù)時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)電壓變化很小，在此期間電網(wǎng)電壓可近似為直流電壓源。其中，電網(wǎng)電壓Umsin？茲，uC（t）為電容電壓，iL（t）為電感電流，由電路原理知識，可得：

從上述計(jì)算結(jié)果來看，當(dāng)工作在臨界阻尼或過阻尼狀態(tài)時(shí)，電流iL（t）為衰減狀態(tài)，iL（t）不會超過限流值；當(dāng)過電壓抑制電路工作在欠阻尼狀態(tài)時(shí)，iL（t）表現(xiàn)為振蕩輸出，振蕩過程中iL（t）會大于限流初始值I0。當(dāng)過電壓抑制電路工作在臨界阻尼狀態(tài)時(shí)，可使固態(tài)斷路器具有更短的故障保護(hù)時(shí)間。綜上，當(dāng)L、R一定時(shí)，Re、C按照臨界阻尼狀態(tài)選擇參數(shù)時(shí)，可使線路中電流不超過I0，且具有更短的保護(hù)時(shí)間。

2 控制原理

固態(tài)斷路器的關(guān)斷控制采用DDL保護(hù)控制方法，DDL保護(hù)是通過電流瞬時(shí)值和電流變化趨勢來實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)功能。裝置正常運(yùn)行過程中，其保護(hù)單元不斷地檢測線路中電流i及其上升率■，經(jīng)過DDL保護(hù)算法處理后，驅(qū)動動作執(zhí)行單元動作，在DDL算法中主要有電流基準(zhǔn)值i0，電流上升率起判點(diǎn)E，退出值F，延時(shí)時(shí)間T，電流增量最大值△imax等參數(shù)需要設(shè)置[9]。具體程序流程圖如圖3所示。

3 結(jié)束語

文章分析了基于MOSFET的單相限流式固態(tài)斷路器的工作原理，提出了一種應(yīng)用于基于MOSFET的限流式固態(tài)斷路器的過電壓抑制電路，并給出了電路參數(shù)選擇的理論依據(jù)及計(jì)算公式。文章對研發(fā)應(yīng)用在低壓交流場合的限流式固態(tài)斷路器將起到較好的理論指導(dǎo)作用。

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作者簡介：何棒棒（1994-），男，河南省焦作市人，工作單位：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，職務(wù)：學(xué)生，研究方向：電力電子與電力傳動。