一種混合式直流斷路器設計方法

駱文平，朱兆芳，任志剛

?

一種混合式直流斷路器設計方法

駱文平，朱兆芳，任志剛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對一種典型的混合式直流斷路器，本文提出了優先進行“零電流換流過程設計”，隨后進行“零電壓換流過程設計”的設計方法。以8 kV/4kA的混合式直流斷路器為例，針對預期短路電流160 kA且短路時間常數為7 ms的工況，基于該方法成功實現了短路分斷時間不超過1.8 ms且分斷峰值電流不超過40 kA的設計指標。該方法對混合式直流斷路器的設計具有一定的指導意義。

混合式直流斷路器 零電壓換流 零電流換流

0 引言

隨著直流電力系統的蓬勃發展，直流斷路器作為直流電力系統的關鍵保護設備，也逐漸成為了電器領域研究的熱點[1-3]。無論艦船動力領域、軌道交通領域，還是高壓直流輸電領域、直流配電網或直流微電網的配電網領域，直流斷路器的研制無不具備重要意義。空氣式直流斷路器盡管技術成熟，但分斷時間長、電壽命低，難于滿足中高壓、大容量直流系統的快速限流保護需求。混合式斷路器利用反向電流注入迫使電流人工過零，短路分斷速度快，成為中高壓直流斷路器研制的重要方向。為此，國內外學者提出了不同的拓撲，諸如典型的ACICB結構，以及基于橋式轉移電路的雙向分斷設計等。然而，闡述各種混合型斷路器設計方法的報道并不多見，基于此，本文針對一種典型的混合式斷路器進行設計，旨在提供一種設計方法。

1 直流斷路器拓撲及工作原理

圖1所示為一種典型的混合式直流斷路器拓撲結構圖，所述斷路器主要包含真空機械開關S、零電壓換流晶閘管T1、壓敏電阻MOV以及由扼流電感L、反向脈沖電容C、大功率脈沖晶閘T2管構成的零電流換流支路。

圖2所示為該直流斷路器典型的分斷過程。當系統正常時，真空開關S閉合形成電流通路。當系統產生故障時，真空開關S分斷，在真空開關弧壓作用下，主回路電流由真空開關S向晶閘管T1轉移，該過程晶閘管的管壓降由真空電弧弧壓決定，一般為幾十伏左右，因此該段過程也稱為“零電壓換流過程”。之后一段時間，真空開關在近乎零電壓條件下實現弧后介質恢復。當真空開關充分零休后，反向脈沖電容C通過晶閘管T2放電，迫使主回路電流由晶閘管T1支路向電容C支路轉移，實現所謂的“零電流換流過程”。在這一階段，LC支路工作于振蕩狀態，電容C經歷了反向放電再充電的過程，當電容充電電壓達到壓敏電阻的開通電壓后，壓敏電阻開通，主回路電流迅速由電容支路轉移到壓敏電阻支路，由壓敏電阻吸收掉系統殘余感性能量，實現故障電路的分斷，同時也限制了系統的過電壓。顯然，電容C需要預充電，為了不增加額外的電源設備，電容C可以直接由系統電壓供電，即充電電壓為系統電壓8 kV。

圖1 直流斷路器拓撲

2 基本設計方法

該混合式直流斷路器主要包括零電壓換流與零電流換流兩個主要過程。零電壓換流過程實現的是主回路電流由真空開關向晶閘管T1轉移的過程，其換流時間的長短是決定該混合式斷路器分斷時間的關鍵因素之一。然而這一過程受真空開關支路雜散電感、真空開關弧壓、換流晶閘管T1支路電感、晶閘管開通電壓及斜率電阻等眾多不確定因素的影響，使設計較為困難。零電流換流過程盡管發生于零電壓換流過程之后，但這一過程的持續時間通常主要受反向脈沖電容C與扼流電感L的影響，電氣參數相對更容易確定。基于這一考慮，通常率先設計零電流換流回路，所重點關心的指標主要是分斷峰值電流及其相應的分斷動作時間；之后，進行零電壓換流回路設計，重點考核的則是該換流過程的持續時間，顯然該換流過程應在零電流換流過程之前結束。

3 零電流換流過程設計

電力系統發生故障后，短路電流通常可以表達如下：

本文針對系統額定電流為4kA，短路預期電流為160kA，時間常數為7ms的工況進行零電流換流過程設計，并要求系統實際分斷的峰值電流不超過40kA，峰值電流對應時間不超過1.8ms.顯然，換流回路反向脈沖電容參數應由系統電壓與實際分斷電流共同決定，其所儲存的能量應能可靠實現晶閘管T1支路電流的轉移并能提供足夠時間的反壓促使晶閘管T1可靠關斷，該工況下取電容的容值為250 μF，充電電壓為8 kV，扼流電感取為8 μH。

雖然系統電流達到40 kA所用時間要稍高于1.8 ms，但考慮到反向脈沖回路的自然振蕩，在1.2 ms到1.75 ms之間調節晶閘管T2的觸發時刻，系統短路峰值電流及分斷動作時間與觸發時刻的關系如圖3所示。隨著晶閘管T2觸發時刻的推遲，系統短路分斷峰值電流持續上升，斷路器分斷動作時間也逐漸增加，為使得短路分斷峰值電流不超過40 kA且斷路器分斷動作時間不超過1.8 ms，晶閘管T2的觸發時刻不應超過1680 μs，考慮一定的安全裕量，晶閘管T2觸發時刻實際上不超過1.6 ms.

圖3 斷路器分斷動作時間、峰值電流與晶閘管觸發時刻的關系

4 零電壓換流過程設計

零電壓換流過程應該在零電流換流過程前結束，而零電壓換流過程受包括真空開關弧壓、脈沖大功率晶閘管伏安特性以及兩個元件所在支路各自的電感等多重因素的共同影響，既與器件自身特性有關，又與斷路器結構設計密切相關。

圖4所示為真空開關弧壓為恒定值20 V時，零電壓換流過程持續時間與晶閘管T1支路電感及真空開關支路電感LS之間的關系。顯然，隨著晶閘管T1支路電感或真空開關支路電感的增加，零電壓換流過程持續的時間均會增加，直至該換流過程進入轉移失敗區而無法實現電流由真空開關完全轉移至晶閘管T1支路，導致系統短路分斷失敗。此外，就成功實現電流轉移而言，晶閘管T1支路電感值越大，真空開關支路所允許的電感值將會越小。就本文而言，要求零電壓換流過程結束時間不超過1.6 ms，在該種情況下，真空開關支路電感與晶閘管T1支路電感表現出較大的交叉范圍。

圖4 零電壓換流時間與各支路電感關系（弧壓20 V）

圖5所示為真空開關弧壓為恒定值30V時，零電壓換流過程持續時間與晶閘管T1支路電感及真空開關支路電感LS之間的關系。相對圖4而言，弧壓的增加顯著提高了電流由真空開關支路向晶閘管T1支路轉移的能力。在圖示真空開關支路電感不超過0.5 μH，晶閘管T1支路電感不超過0.4 μH的區域，不存在電流轉移失敗區。就零電壓換流過程結束時間不超過1.6 ms的要求而言，晶閘管T1支路電感與真空開關支路電感Ls的交叉影響區域也顯著減小，兩支路電感可供選擇的取值范圍明顯擴大。

圖5 零電壓換流時間與各支路電感關系（弧壓30 V）

5 結論

本文針對一種典型的基于“零電壓換流”與“零電流換流”相結合混合式直流斷路器，提出了優先進行“零電流換流過程設計”，然后再進行“零電壓換流過程設計”的設計方法。基于此方法，成功實現了分斷動作時間不超過1.8 ms，分斷峰值電流不超過40 kA的某型8 kV/4 kA混合式直流斷路器的設計。這說明，本文提出的設計方法是行之有效的。

[1] 榮命哲, 楊飛, 吳翊, 等. 綜述：直流斷路器電弧研究的新進展[J]. 電工技術學報，2012，27(3)：35-43.

[2] 馬釗. 直流斷路器的研究現狀及展望[J].智能電網，2013, 1(1)：13-16.

[3] Shen Z, Miao Z, Roshandeh A. Solid State circuit breakers for DC micrgrids：current status and future trends[C]. Proceedings of the First International Conference on DC Microgrids. Atlanta, USA: IEEE, 2015: 228-233.

Design Method of Mixed DC Circuit Breaker

Luo Wenping, Zhu Zhaofang, Ren Zhigang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064,China）

TM561

A

1003-4862（2018）07-0006-03

2018-03-15

駱文平(1989-)，男，碩士。研究方向：混合式直流斷路器設計、分析。