混合直流斷路器自然換流過(guò)程中弧壓的測(cè)量及建模

李 博，彭振東，沙新樂(lè)，楊晨光

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混合直流斷路器自然換流過(guò)程中弧壓的測(cè)量及建模

李 博，彭振東，沙新樂(lè)，楊晨光

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

混合式斷路器的電流轉(zhuǎn)移主要有自然換流和強(qiáng)迫換流兩種方式，其中自然換流是在機(jī)械開(kāi)關(guān)斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)觸頭分閘過(guò)程中產(chǎn)生電弧電壓的作用下迫使故障電流由機(jī)械開(kāi)關(guān)向半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移的過(guò)程，該階段電弧電壓的大小及變化過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)間有著至關(guān)重要的影響。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量12 kA電流等級(jí)下真空電弧電壓的大小及變化規(guī)律，并利用PSCAD/EMTDC 建立電弧電壓數(shù)學(xué)模型，最后將該電流等級(jí)下?lián)Q流時(shí)間的仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了真空電弧電壓模型的可靠性與正確性。

混合式斷路器 自然換流 電弧電壓 轉(zhuǎn)移時(shí)間

0 引言

當(dāng)今直流配電系統(tǒng)廣泛受到關(guān)注，作為電力系統(tǒng)中核心保護(hù)設(shè)備，中壓直流斷路器也成為人們的研究熱點(diǎn)之一。不同于交流背景可在自然過(guò)零點(diǎn)關(guān)斷，直流領(lǐng)域下的斷路器需要人工過(guò)零點(diǎn)才能完成可靠分?jǐn)唷Ｗ畛Ｒ?jiàn)的方法主要有利用機(jī)械開(kāi)關(guān)分?jǐn)噙^(guò)程產(chǎn)生的電弧電壓迫使電流向半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)移的自然換流和利用高頻反脈沖支路進(jìn)行電流轉(zhuǎn)移的強(qiáng)迫換流，本文著重分析了自然換流真空電弧電壓的變化規(guī)律及對(duì)電流轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響。

混合式斷路器結(jié)合機(jī)械開(kāi)關(guān)靜態(tài)通流損耗低和固態(tài)器件動(dòng)態(tài)動(dòng)作快速兩種優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)下中壓直流系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備的首選[1,2]。短路故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)電流以高變化率急劇上升，為了快速切斷故障電流，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備不受損害，需要保護(hù)設(shè)備動(dòng)作可靠且迅速，因此需要盡量縮短自然換流過(guò)程中電流轉(zhuǎn)移時(shí)間。

1 真空弧壓測(cè)量原理

電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，在自然換流過(guò)程中，系統(tǒng)電流以一定變化率上升。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)LC脈沖放電回路模擬系統(tǒng)故障電流。為了研究混合式斷路器真空開(kāi)關(guān)電流向半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移過(guò)程，需要對(duì)該階段電弧電壓的特性進(jìn)行分析。具體電弧電壓測(cè)量原理圖如圖1所示，其中P為脈沖放電回路儲(chǔ)能電容，P為脈沖放電回路調(diào)波電感（包括回路線路電感），D1為整流二極管，F(xiàn)V為真空觸發(fā)控制開(kāi)關(guān)，VB為快速真空機(jī)械開(kāi)關(guān)，V為真空開(kāi)關(guān)VB支路雜散電感。

本文支持單值、模糊單值、區(qū)間值三種QoS數(shù)值表達(dá)方式。如，響應(yīng)時(shí)間為單值屬性；安全性描述為一個(gè)集合{高，中，低}對(duì)應(yīng)的數(shù)值描述為{3,2,1}，為模糊單值屬性；價(jià)格區(qū)間100元以內(nèi)，為區(qū)間型屬性。本文將數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)一劃歸成精確型單值數(shù)據(jù)來(lái)表示。

圖1 真空電弧電壓測(cè)量電路

實(shí)驗(yàn)步驟具體如下[3]：

4.藥物濃度檢測(cè)：特殊人群如兒童、妊娠婦女及腎功能不全患者等用藥在條件允許情況下可進(jìn)行治療藥物濃度監(jiān)測(cè)（TDM）。

滿足電流成功從VB轉(zhuǎn)移至T的條件是VB支路電流能夠過(guò)零，即V＜0：

基礎(chǔ)護(hù)理包括飲食護(hù)理,環(huán)境護(hù)理等。飲食護(hù)理,護(hù)理人員應(yīng)為患者制定健康飲食計(jì)劃,告知患者及其家屬按合理膳食,飲食計(jì)劃多吃易消化食物,多食用流質(zhì)食物,重視營(yíng)養(yǎng)素的攝入量,不可通過(guò)口服的病人應(yīng)該給予鼻胃管小量持續(xù)注射營(yíng)養(yǎng)物。生活環(huán)境護(hù)理,定期幫助病人擦洗身體,保持皮膚清潔;定期清潔和更換病人的床單,保持床單清潔;定期幫助患者翻身并預(yù)防褥瘡感染;定期口腔護(hù)理患者保持口腔清潔;保持房間清潔和通風(fēng)良好。

黑粉是天然氣外輸管道中經(jīng)常遇到的污染物[1-10]，黑粉的出現(xiàn)會(huì)造成管道管輸量下降、堵塞儀表和閥門(mén)、降低壓縮機(jī)壓縮效率等一系列問(wèn)題[9]，嚴(yán)重影響天然氣的正常輸送和下游用戶的正常生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)黑粉成分進(jìn)行分析，一般認(rèn)為黑粉由鐵硫化物、碳酸鐵、氧化鐵、硫磺、沙粒等組成[10]。黑粉問(wèn)題最早出現(xiàn)在天然氣管道建設(shè)較早的國(guó)家，如美國(guó)、加拿大等國(guó)[13-16]。近年來(lái)，隨著我國(guó)輸氣管線的大規(guī)模建設(shè)和相繼投入運(yùn)營(yíng)，黑粉也逐漸出現(xiàn)在輸氣管網(wǎng)中。

(一)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在筆者所收集的網(wǎng)絡(luò)流行語(yǔ)中，偏正結(jié)構(gòu)居多，有20多個(gè)，占所收集流行語(yǔ)的40.8%，其中又以定中結(jié)構(gòu)為主，是偏正結(jié)構(gòu)的85%，占總數(shù)的34.7%.主謂結(jié)構(gòu)、聯(lián)合結(jié)構(gòu)各占總數(shù)的6.1%，動(dòng)賓結(jié)構(gòu)、動(dòng)補(bǔ)結(jié)構(gòu)分別占10.2%和4%。(如下圖)

互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，不但改變了資訊流動(dòng)的方式，更推動(dòng)了新的公司范式和財(cái)富積累運(yùn)動(dòng)。于颶風(fēng)集團(tuán)而言，主平臺(tái)颶風(fēng)網(wǎng)的建立并不是目的所在，而是一種手段，其著眼于“制造+渠道+技術(shù)+物流+金融+互聯(lián)網(wǎng)”的創(chuàng)新型戰(zhàn)略整合，希冀打造印刷供應(yīng)鏈從生產(chǎn)到售后的生態(tài)閉環(huán)。這種發(fā)展思路所在，或是因?yàn)轱Z風(fēng)集團(tuán)的前身是中山市富日印刷材料有限公司，一家生產(chǎn)印刷耗材的制造企業(yè)，有著對(duì)于印刷行業(yè)的充分認(rèn)識(shí)以及良好的產(chǎn)品和客戶資源。

真空電弧電壓擬合曲線分段函數(shù)表達(dá)式為：

由于真空機(jī)械開(kāi)關(guān)VB支路雜散電感的存在，在脈沖放電回路電流變化的情況下會(huì)在VB上產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，為了精確測(cè)量真空電弧電壓的大小，必須排除感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響。因此測(cè)量VB分閘和合閘兩種狀態(tài)下的電壓，兩種之差即為真空電弧電壓，表達(dá)式如下式所示：

2 真空電弧電壓建模

基于上述電弧電壓測(cè)量原理，脈沖放電回路儲(chǔ)能電容P取值7.2 mF，調(diào)波電感P（包括線路電感）取值65 μH，預(yù)充電電壓取1200 V可得預(yù)期峰值12 kA的脈沖電流，測(cè)得真空電弧電壓隨放電回路電流的變化趨勢(shì)如下圖2所示，由于VB在脈沖電流峰值分閘，在后半波過(guò)程中，脈沖電流逐漸減小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)值，因此實(shí)際真空電弧電壓大于測(cè)量值V1。

圖2 真空電弧電壓隨電流變化趨勢(shì)

通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真軟件建立上述電弧電壓表達(dá)式的數(shù)學(xué)模型及曲線分別如圖4和圖5所示，弧壓持續(xù)時(shí)間約0.3 ms，峰值為28 V。

3）繼續(xù)給儲(chǔ)能電容預(yù)充至相同電壓，控制真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)FV導(dǎo)通形成脈沖放電，保持真空機(jī)械開(kāi)關(guān)VB合閘狀態(tài)，測(cè)量VB兩端電壓V2。

本實(shí)驗(yàn)真空弧室選擇橫向磁場(chǎng)觸頭結(jié)構(gòu)，觸頭選用CuCr50材料，根據(jù)真空電弧理論，真空電弧電壓主要由近極壓降和弧柱壓降構(gòu)成。近極壓降與觸頭材料有關(guān)，而弧柱壓降與區(qū)域內(nèi)的等離子體密度有關(guān)。當(dāng)觸頭開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，電弧電壓以近似階躍形式上升至24 V左右的近極壓降。隨后，隨著觸頭開(kāi)距增大為等離子體形成階段，觸頭間真空區(qū)域開(kāi)始燃弧，從真空電弧電壓變化趨勢(shì)來(lái)看，此過(guò)程弧壓以近似直線趨勢(shì)上升。由于本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的電流大于10 kA（大電流電弧），電弧電阻表現(xiàn)為正的伏安特性[4,5]。當(dāng)真空機(jī)械開(kāi)關(guān)中電流逐漸減小時(shí)，等離子體濃度開(kāi)始減小并考慮一定的冷卻效應(yīng)，電弧逐漸熄滅，弧壓開(kāi)始急劇減小。以10 kA為界限，可將12 kA放電電流等級(jí)下的真空電弧電壓分別擬合為區(qū)間在[0，10 kA]隨電流變化的曲線以及區(qū)間在（10 kA，12 kA]隨時(shí)間變化的曲線，真空電弧電壓分段擬合曲線如圖3所示。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

轉(zhuǎn)移過(guò)程中真空機(jī)械開(kāi)關(guān)VB支路及晶閘管T支路的電流表達(dá)式為：

圖3 真空電弧電壓實(shí)測(cè)及擬合曲線

圖4 真空電弧電壓PSCAD數(shù)學(xué)模型

圖5 真空電弧電壓建模曲線

圖6 自然換流實(shí)驗(yàn)電路圖

轉(zhuǎn)移過(guò)程等效電路如圖7所示，其中0為放電回路電流，由于電流轉(zhuǎn)移過(guò)程極快，假設(shè)在換流階段0為恒定值。V，V分別為真空機(jī)械開(kāi)關(guān)支路等效電阻和雜散電感；T，T分別為晶閘管T支路的通態(tài)電阻和雜散電感；arc為真空開(kāi)關(guān)電弧電壓；T為晶閘管T通態(tài)壓降。

圖7 轉(zhuǎn)移過(guò)程等效原理圖

根據(jù)KCL，KVL定理，電流轉(zhuǎn)移回路方程為：

自然換流過(guò)程實(shí)驗(yàn)電路原理如下圖6所示，圖中轉(zhuǎn)移用晶閘管T選用臺(tái)基KKM4000-48單管，D2為反并二極管，用于保障晶閘管反向過(guò)電壓而不被損壞。脈沖放電回路線路電阻忽略不計(jì)，當(dāng)脈沖放電回路放電電流上升至峰值時(shí)，驅(qū)動(dòng)真空機(jī)械開(kāi)關(guān)VB分閘，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間觸發(fā)晶閘管T導(dǎo)通，在電弧電壓的作用下放電電流開(kāi)始由VB向T轉(zhuǎn)移。

1）首先給儲(chǔ)能電容P預(yù)充至一定電壓，由于回路參數(shù)已確定，根據(jù)不同電流等級(jí)可確定預(yù)充電壓大小。

arc＞0T+T(5)

因此真空電弧電壓必須大于晶閘管支路壓降才能保障電流成功轉(zhuǎn)移。另外，在滿足電流能夠成功轉(zhuǎn)移的前提條件下，轉(zhuǎn)移時(shí)間表達(dá)式為：

決策鏈包括規(guī)則制定和資源分配兩個(gè)方面，二者主要涉及政治價(jià)值。決策鏈?zhǔn)枪倭畔到y(tǒng)運(yùn)行鏈的前段，需注重代表性、回應(yīng)性、公平公正、公開(kāi)透明等原則，保持政治價(jià)值理性。規(guī)則制定是指中高層領(lǐng)導(dǎo)干部制定的組織戰(zhàn)略、改革方案、執(zhí)行細(xì)則等一系列指導(dǎo)性規(guī)則。在規(guī)則制定過(guò)程中要與黨和國(guó)家的意志和原則保持一致，保證政策或制度的代表性和回應(yīng)性，保護(hù)公民權(quán)益不受侵害。資源分配是指決策過(guò)程中為保障制度規(guī)則順利實(shí)施而將權(quán)力、資金、人員等相關(guān)資源分配給政策執(zhí)行主體。資源分配應(yīng)秉承公平正義和公開(kāi)透明原則，一旦出現(xiàn)資源分配過(guò)程中的權(quán)力尋租、資源配置畸形等不合理現(xiàn)象，必須引起高度重視，深究問(wèn)題線索，消除腐敗苗頭。

分析上述表達(dá)式可知，實(shí)際電流轉(zhuǎn)移時(shí)間主要與arc、T、V和T有關(guān)，T和V的大小則影響甚微[3,6]。因此，增大真空電弧電壓arc并減小真空機(jī)械開(kāi)關(guān)VB支路雜散電感V、晶閘管T支路雜散電感T以及晶閘管通態(tài)壓降T有助于減小電流轉(zhuǎn)移時(shí)間，當(dāng)故障電流轉(zhuǎn)移過(guò)慢時(shí)，會(huì)影響真空開(kāi)關(guān)絕緣介質(zhì)的恢復(fù)進(jìn)程。因此，優(yōu)化支路雜散參數(shù)及研究真空電弧電壓在轉(zhuǎn)移過(guò)程中的變化有著重要意義。

圖6對(duì)應(yīng)的各器件參數(shù)如表1所示，在PSCAD/EMTDC軟件中搭建如圖4所示電路并賦予下述參數(shù)值，其中真空開(kāi)關(guān)VB及晶閘管T的等效電阻和雜散電感通過(guò)ANSYS/Q3D計(jì)算得出，電流轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖8所示。

表1 仿真參數(shù)

圖8 電流轉(zhuǎn)移過(guò)程仿真波形

對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)電流轉(zhuǎn)移時(shí)間，結(jié)果如下圖9所示，考慮實(shí)際實(shí)驗(yàn)各支路雜散參數(shù)應(yīng)大于仿真數(shù)值，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)移時(shí)間略大于仿真值，但差值在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了真空電弧電壓數(shù)學(xué)模型及轉(zhuǎn)移過(guò)程仿真結(jié)果的正確性。

4 總結(jié)

1）真空電弧電壓的真實(shí)值應(yīng)為真空機(jī)械開(kāi)關(guān)分閘狀態(tài)下兩端電壓和未分閘狀態(tài)下兩端電壓（雜散電感引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）之差。實(shí)際電流轉(zhuǎn)移時(shí)，真空機(jī)械開(kāi)關(guān)支路電流逐漸減小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)值，所以弧壓應(yīng)大于真空機(jī)械開(kāi)關(guān)未分閘狀態(tài)下兩端電壓值。

圖9 仿真電流轉(zhuǎn)移時(shí)間與實(shí)測(cè)電流轉(zhuǎn)移時(shí)間

2）真空機(jī)械開(kāi)關(guān)觸頭開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，首先是等離子體形成階段，真空弧壓階躍上升至24 V左右的近極壓降，隨后隨著電弧燃燒，弧壓開(kāi)始線性上升，此階段可將弧壓擬合成隨時(shí)間變化的曲線；然后電弧電流開(kāi)始減小，電弧等離子體開(kāi)始冷卻，電弧逐漸熄滅，弧壓急劇減小，此階段可將弧壓擬合成隨電弧電流變化的曲線。

3）解析自然換流過(guò)程轉(zhuǎn)移時(shí)間數(shù)學(xué)表達(dá)式，真空電弧電壓大小及變化規(guī)律對(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)間大小有著顯著影響，通過(guò)PSCAD仿真軟件對(duì)真空弧壓進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并計(jì)算轉(zhuǎn)移時(shí)間，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

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Measurement and Modeling of Vacuum Arc Voltage in the Natural-commutate of Hybrid DC Circuit Breaker

Li Bo, Peng Zhendong, Sha Xinle, Yang Chenguang

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

TM721

A

1003-4862（2019）02-045-04

2018-12-26

李博（1991-），男，助理工程師。研究方向：中壓直流斷路器。E-mail: 429595691@qq.com