混合式斷路器自然換流過程分析研究

沙新樂，彭振東，李 博，任志剛

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混合式斷路器自然換流過程分析研究

沙新樂，彭振東，李 博，任志剛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對直流電力系統中快速上升的短路電流在混合式斷路器中轉移困難的問題，開展了混合式斷路器自然換流過程影響因素的分析研究。通過搭建仿真模型對短路電流在高dd時的轉移過程進行仿真分析，得出了電流轉移時間與轉移電流峰值、晶閘管組件的閾值電壓和通態電阻的關系曲線。最后通過樣機進行短路試驗，驗證了仿真分析的合理性，并對晶閘管組件中串聯元件數目不同，電流轉移時間仿真值與試驗值出現的差異做出了解釋。

混合式斷路器 換流 晶閘管 串聯

0 引言

目前，軌道交通牽引系統、柔性直流輸電系統、艦船綜合電力系統等均采用直流供電。隨著電力系統容量的增加以及電壓等級的提高，短路故障發生后，電流變化率極高（超過20 A/μs），電流峰值可達150 kA，直流斷路器成為對系統保護必不可少的設備。混合式斷路器綜合了機械開關和半導體開關優良的動、靜態特性，成為直流保護中較為有效的技術方案。

混合式斷路器通常由真空開關（或機械開關）、固態開關、換流電容以及限壓耗能裝置組成。系統正常工作時，電流全部從真空開關流過；短路故障發生后，真空開關斷開，同時觸發固態開關，短路電流從真空開關轉移到固態開關。在短路電流快速上升過程中，真空開關中的電流能否迅速轉移到固態開關是決定短路分斷成敗的關鍵。混合式斷路器中采用電磁斥力開關作為真空弧室動觸頭的驅動機構，如果驅動電容電壓過低，將會造成斷路器從收到分斷命令到實際開始分斷的延遲時間?d增加。在電流快速上升過程中，隨著?d增加，轉移電流峰值也增加。而驅動電壓過高又會降低斷路器的機械壽命；受限于單個半導體元件的耐壓水平，采用半導體元件串聯是研制中、高壓型混合式斷路器的必然要求。但隨著固態開關組件中串聯元件數目的增多，組件的閾值電壓和通態電阻也相應增加。這些因素均會對自然換流過程產生影響。

國內外很多學者對自然換流過程進行了分析研究，文獻[1]通過仿真分析得出，電流轉移時間與真空開關弧壓、支路雜散電感有關，但并沒有明確具體的影響關系且缺少相關的試驗驗證；文獻[2]中經過一系列簡化處理，推導出了電流轉移時間的數學表達式，但分析過程中將固態開關通態壓降看做恒定值，勢必導致較大的誤差；文獻[3]只對恒定電流轉移過程進行了分析，不涉及高d/d工況下的電流轉移過程分析；文獻[4]簡單介紹了工程中減小電流轉移時間的措施，未進行任何理論分析。

針對上述問題，本文在8 kV/5 kA混合式斷路器樣機的基礎上，利用PACAD/EMTDC構建了混合式斷路器自然換流過程的仿真模型。仿真結合試驗，分析了轉移電流峰值、晶閘管組件的閾值電壓和通態電阻對電流轉移時間的影響，所得結論對混合式斷路器的斥力開關驅動電壓的選取、晶閘管元件選型等具有指導意義。

1 混合式斷路器基本原理

混合式斷路器主電路拓撲如圖1所示，包括：

1）真空開關S1構成的主開關支路；

2）晶閘管組件T1構成的電流轉移支路；

3）晶閘管組件T2、電容C1、電感L1構成的強迫關斷支路；

4）壓敏電阻MOV構成的耗能支路；

混合式斷路器的工作過程如下，主要包括四個階段：

1）系統正常運行狀態：真空開關S1閉合，主開關支路承擔負載電流；

2）自然換流過程：系統發生短路故障，短路電流迅速上升，真空開關S1斷開，同時觸發晶閘管組件T1，使其在弧壓作用下導通，短路電流轉移到電流轉移支路；

3）強迫換流過程：觸發晶閘管組件T2，C1、L1、T1回路導通，產生電流c迫使晶閘管組件T1中的電流下降到零，短路電流轉移到強迫關斷支路；

4）耗能限壓過程：電容器C1開始反向充電，當真空開關S1兩端電壓上升到壓敏電阻MOV開通電壓時，壓敏電阻開通，短路電流轉移到耗能支路。

2 自然換流過程理論分析

自然換流過程等效電路如圖2所示，其中1為真空開關電弧電壓，s1為主開關支路雜散電感；2為晶閘管組件T1的閾值電壓，2為晶閘管組件T1的通態電阻；s2為電流轉移支路雜散電感。

圖2 自然換流過程等效電路

根據基爾霍夫定律，得到自然換流過程中的微分方程組如式（1）所示：

其中，表示系統短路電流，0表示短路電流開始轉移時刻，0表示該時刻的電流值，即轉移電流峰值。由式(1)可以看出影響電流轉移時間?的因素包括：，1、s1，s2，0，2和2。

利用電橋測得8 kV/5 kA混合式斷路器樣機中支路雜散電感s1=0.13 μH，s2=0.5 μH（組件T1中僅有一個晶閘管元件）。圖3給出了樣機中真空開關S1在分斷15.5 kA電流過程中弧壓特性曲線，并據此擬合其弧壓特性表達式見式（2）。

據此，當直流電力系統短路電流確定的情況下，該樣機中影響電流轉移時間?的因素為：0、2和2。

圖3 真空電弧特性曲線

3 自然換流過程仿真分析與驗證

樣機驅動電容1 mF，實測驅動電壓與斷路器延遲時間?d的關系如表1所示，可以看出，隨著驅動電壓的升高，斷路器延遲時間?d逐漸減小并趨于飽和。

表1 不同驅動電壓時斷路器延遲時間?t

實際電力系統的短路故障可以用圖4所示LC振蕩回路電流上升的過程來模擬，其中脈沖電容0=36 mF，調波電感0=55 μH，線路電阻0=10 mΩ。脈沖電容0充電2300 V，通過真空觸發開關TVS來控制回路導通。

圖4 故障電流分斷測試電路

3.1 自然換流過程仿真分析

在PSCAD/EMTDC中搭建混合式斷路器的仿真模型，利用圖4所示測試電路進行仿真分析。模型中以真空觸發開關TVS的觸發脈沖與晶閘管組件T1的觸發脈沖的時間間隔來模擬斷路器的延遲時間?d。通過改變晶閘管組件T1的觸發時刻來改變?d，從而改變轉移電流峰值0。不同0與電流轉移時間?的關系曲線如圖5所示。

圖5 轉移電流峰值i0與?t的關系曲線

可以看出，電流轉移時間?隨著轉移電流峰值0增加而增加。但0由12 kA增大到19 kA時，電流轉移時間?僅增大了200 μs。考慮到過高的驅動電壓并不會大幅降低轉移電流峰值0且還會嚴重降低斷路器的機械壽命，因此，可在一定范圍內降低斥力開關的驅動電壓以增加斷路器的使用壽命。

令?d=360 μs，對應轉移電流峰值0=14 kA，當晶閘管組件閾值電壓以及通態電阻不同時，電流轉移時間的變化曲線如圖6所示。

圖6 不同通態電阻時，通態壓降與?t的關系曲線

可以看出，電流轉移時間?隨著晶閘管組件的閾值電壓增加而增加，隨著晶閘管組件通態電阻的增加而迅速增加。因此實際元件選型中，通態電阻是首先要考慮的因素。

3.2 自然換流過程試驗驗證

為了驗證仿真分析所得結論的正確性，利用斷路器樣機進行短路試驗。當?d分別取240 μs、360 μs和500 μs時，對應轉移電流峰值0分別為10.5 kA、14 kA和19 kA。實測真空開關S1中電流波形如圖7所示。

圖7 i0不同時，真空開關S1中的電流波形

轉移電流峰值0不同時，電流轉移時間仿真值與試驗值如表2所示，可以看出，仿真計算與試驗結果基本吻合。

表2 轉移電流峰值i0不同時，仿真值與實驗值對比

樣機中的晶閘管組件T1由湖北臺基Y100KKM4000-48型快速晶閘管元件串聯組成，單個晶閘管元件閾值電壓T=1.58 V，通態電阻T=0.16 mΩ。當晶閘管組件T1中分別采用1個晶閘管元件、2個晶閘管元件串聯、3個晶閘管元件串聯，在d=360 μs時觸發晶閘管組件T1，分別測得真空開關S1中電流波形如圖8所示。

圖8 串聯元件數目不同時，真空開關中的電流波形

晶閘管組件中串聯元件數目不同時，電流轉移時間仿真值與試驗值如表3所示。可以看出，仿真值與試驗值的變化趨勢基本一致，但隨著晶閘管組件中串聯元件數目的增多，實驗值略高于仿真值。分析認為，前文中利用電橋測量的雜散電感s2為晶閘管組件T1中僅包含一個元件時的值，而隨著組件中串聯元件數目的增多，支路雜散電感s2也有所增加，導致實際電流轉移時間增加。

表3 串聯元件數目不同時，仿真結果與試驗值對比

4 結論

文中通過搭建仿真模型，并進行試驗驗證，分析了自然換流過程中轉移電流峰值0，晶閘管組件閾值電壓以及通態電阻對電流轉移時間的影響，得出結論如下：

1）電流轉移時間隨著轉移電流峰0、晶閘管組件的閾值電壓以及通態電阻的增大而增大；

2）相比于轉移電流峰0和晶閘管組件的閾值電壓，晶閘管組件的通態電阻對電流轉移時間的影響要更加明顯；

3）隨著晶閘管組件中串聯元件數目增多，支路雜散電感也相應增加，從而導致電流轉移時間增加。

[1] 駱文平, 朱兆芳, 任志剛. 一種混合式直流斷路器設計方法[J]. 船電技術, 2018, 38(7): 6-8.

[2] 王晨, 莊勁武, 張曉鋒, 江壯賢, 楊鋒, 戴超. 混合型限流斷路器在高短路電流上升率時換流試驗分析[J]. 電力系統自動化, 2009, 33(16): 65-70.

[3] Roodenburg B, Taffone A, Gilardi E, et al. Combined ZVS--ZCS topology for high-current direct current hybrid switches: design aspects and first measurements[J]. Electric Power Applications Iet, 2007, 1(2): 183-192.

[4] 陳名, 黎小林, 許樹楷等. 基于零電壓零電流的混合式直流斷路器[J]. 南方電網技術, 2015, 9(3): 10-14.

[5] 王晨, 張曉鋒, 莊勁武等. 新型混合式限流斷路器設計及其可靠性分析[J]. 電力系統自動化, 2008, 32(12): 61-67.

Analysis and Research on the Process of Natural Commutation in the Hybrid Circuit Breaker

Sha Xinle, Peng Zhendong, Li Bo, Ren Zhigang

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

A

TM721

1003-4862（2019）02-037-04

2018-09-12

沙新樂（1991-），男，碩士研究生。研究方向：艦船電力電子應用技術研究。E-mail: www.shaxinle@qq.com