基于改善真空開關弧后du/dt型混合直流斷路器

李 博，彭振東，楊晨光，任志剛

基于改善真空開關弧后d/d型混合直流斷路器

李 博，彭振東，楊晨光，任志剛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

強迫換流結束時刻真空開關兩端電壓會以階躍形式上升至較大幅值，過大的電壓峰值及變化率會直接增大弧后觸頭表面的電場強度及功率密度，從而影響其分斷可靠性。本文旨在通過真空開關串聯二極管及并聯RC吸收支路的試驗方案達到顯著減小真空開關電壓變化率的目的，依次開展了23kA電流等級分斷試驗，并探究二極管有無RC吸收支路對試驗結果的影響，最后基于MATLAB/simulink仿真軟件選取真空開關吸收支路的參數，并將仿真與試驗結果對比，驗證了方案的合理性與有效性。

強迫換流分斷可靠性 電壓變化率 吸收支路

0 引言

具有容量大、阻抗小、易控制等優勢的直流輸電系統是當今乃至未來發展的潮流，直流斷路器作為系統的核心保護裝置一直是科研工作者的研究和優化目標，目前國網已大力發展柔性直流輸電系統換流站的直流保護設備的研制。采取自然換流和強迫換流方式的混合式直流斷路器（hybrid dc circuit breaker，HDCCB）正常工作時由旁路機械開關及真空開關承擔負載電流，線路損耗較小；當系統發生故障時，故障電流首先在機械開關弧壓作用下自然轉移至半導體支路，隨后在反脈沖放電支路投入后強迫轉移至換流支路，最終通過避雷器吸收系統能力并限制過電壓。整個分斷過程動作快速性較于傳統的機械式和空氣式斷路器都得到進一步提高，且電弧能量較小防止觸頭大面積燒蝕。鑒于以上優勢，混合式直流斷路在未來艦船輸電系統中具有廣闊的應用前景和重要的研究意義。

1 混合式直流斷路器工作原理

基于自然換流和強迫換流的混合式直流斷路器分斷故障電流拓撲結構見圖1，本文采用L1C1合成振蕩回路的脈沖電流上升階段模擬實際系統故障電流。正常通流狀態時，旁路機械保護開關BPS和真空開關VB均處于合閘狀態，當發生故障時，發出BPS分閘信號，機械開關觸頭動作并產生電弧電壓使二極管組件D1開通，故障電流迅速向D1支路轉移，轉移完成后換流支路L2C2隨后投入，真空開關VB支路電流過零即能完成可靠分斷。其中強迫分斷過程中，若VB在電流一次過零時未能完成可靠分斷，二極管D1組件的反向阻斷過程能防止大電流注入真空間隙，為真空介質提供過零恢復時間，以便換流支路放電脈沖上升至峰值后的下降階段與主回路電流再次相等時的二次過零時刻成功分斷。分斷過程預期電流波形及對應的時序如圖2所示，在分斷大電流環境下，真空弧室電流零后介質恢復進程是分斷成功與否的關鍵，介質恢復電壓以階躍式上升至峰值，極高的電壓變化率嚴重影響弧后鞘層的發展速度。

圖1 混合直流斷路器拓撲結構

2 改善二次過零后恢復電壓變化率

圖2 混合直流斷路器開斷預期電流波形及時序圖

圖1強迫換流階段的試驗參數見表1所示，當真空開關在電流一次過零時未能成功分斷，由二極管D1反向恢復結束后阻斷回路電流。若D1加裝有RC吸收支路及避雷器過電壓保護支路，在真空開關電流二次時不能可靠熄弧，則換流支路不斷通過D1的 RC支路向真空間隙注入漏電流，使真空開關一直處于小電流燃弧狀態，嚴重影響介質可靠恢復。

表1 試驗參數值

圖3 二次過零時刻D1有無RC支路試驗結果

圖4 二次過零后欠阻尼等效回路

圖3為D1有無加裝RC吸收支路(僅有避雷器保護)情況下二次過零時刻對應的恢復電壓波形。對比可知，當D1有RC保護時，二次過零后會形成如圖4所示的放電回路，由于真空開關VB的分布電容，該回路滿足欠阻尼高頻振蕩放電條件，且P極小有短時分壓過程，因此VB會以階躍式上升至2C2/(2+P)；而在D1有RC保護時，D1反向恢復結束后即可阻斷換流支路對P的充電，恢復電壓變化率及恢復電壓峰值都得到大幅度減小，且消除了高頻振蕩現象。

3 改善一次過零后恢復電壓變化率

如圖5所示，由真空開關VB阻斷回路電流的一次過零后，D1仍然處于導通狀態，此時無論二極管D1是否加裝RC吸收支路，VB兩端均呈現極大恢復電壓變化率。因此引入了圖6所示的VB兩端并聯RC保護支路的方案。

圖5 一次過零后欠阻尼等效回路

圖6 真空開關并聯RC保護支路

真空開關未采取吸收支路，其過零后恢復電壓變化率最大值為：

VB分布電容P為pF級，過零后VB恢復電壓變化率高達幾kV/μs數量級。并聯RC支路后VB兩端電壓大小及變化率由其電流過零后換流支路給S高頻充電過程決定。吸收電阻S的參數選取可遵循條件：

根據表1的參數，試驗中真空開關過零附近電流變化率約200 A/μs，若將真空開關過零后電壓變化率限制在500 V/μs以下，根據上述約束條件，吸收電阻初步取值為S=2 Ω。當S=2 Ω，吸收電容分別取值1 μF、3 μF、5 μF、7 μF，9 μF時，對應的真空開關VB電流過零后兩端電壓仿真結果見圖7。

圖7 真空開關電壓隨CS的變化情況

增大吸收電容有助于減小電流過零后VB兩端電壓變化率，但當S＞3 μF后，改善趨勢已逐漸飽和，保護電容可取值3 μF。當S=3 μF時，保護電阻分別取值1 Ω、2 Ω、3 Ω、4 Ω、5 Ω時，對應的真空開關VB電流過零后其兩端電壓及電壓變化率仿真結果如圖8所示。

圖8 真空開關電壓隨RS的變化情況

減小吸收電阻S有助于改善真空開關電流過零后的電壓變化率，但同時VB電壓峰值逐漸增大，為將VB電流一次過零后反向電壓峰值限制在-5 kV以內，取S=2 Ω，S=3 μF，最終將VB電流兩次過零后的電壓變化率最大值均維持在約300 V/μs，真空開關VB兩端電壓分別在有無并聯RC保護支路情況下的仿真與試驗結果見圖9。

采取RC保護支路后，消除了真空開關在電流過零后分布電容P造成的高頻振蕩現象，并顯著改善真空開關兩端過高u/t導致的弧后重擊穿效應。

4 總結

1）本文首先介紹了基于自然換流和強迫換流的混合式直流斷路器工作原理，并分析影響真空開關分斷性能的因素。

圖9 真空開關有無并聯RC支路時仿真與實測結果

2）介質恢復電壓變化率過高會嚴重影響弧后鞘層的發展速度，通過去除串聯二極管D1的吸收支路可緩解真空開關電流二次過零后電壓變化率并同時減小恢復電壓峰值。

3）在真空開關兩端并聯RC保護支路，可消除其電流一次過零后恢復電壓變化率及分布電容帶來的高頻振蕩現象，并結合MATLAB/simulink仿真分析合適的保護支路參數。

[1] 史宗謙, 賈申利.高壓直流斷路器研究綜述[J]. 高壓電器, 2015,51(11): 0001-0009.

[2] 王晨, 徐建霖.混合型限流及開斷技術發展綜述[J]. 電網技術, 2017, 41（5）: 1644-1653.

[3] 劉曉明, 黃翀陽, 鄒積巖. 多斷口直流真空斷路器介質恢復強度研究[J]. 中國電機工程學報, 2016, 36（19）: 5357-5364.

[4] 王晨, 莊勁武, 張曉鋒, 等. 新型混合型限流斷路器分析及試驗[J]. 電力系統自動化, 2010, 34（15）: 60-65.

[5] 周萬迪, 魏曉光, 高沖, 等. 基于晶閘管的混合型無弧高壓直流斷路器[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(18): 2990-2996.

[6] 鄭占峰, 鄒積巖, 董恩源, 等.直流開斷與直流斷路器[J]. 高壓電器, 2006,42（6）: 445-449.

[7] 徐國順, 莊勁武, 周煜韜, 等. 混合型快速直流開斷的短時短間隙電弧現象[J].中國電機工程學報, 2017, 37(4): 0986-0996.

[8] 呂綱, 曾嶸, 黃瑜瓏, 等.10 kV自然換流型混合式直流斷路器中真空電弧電流轉移特性研究[J]. 中國電機工程學報, 2017, 37(4): 1012-1020.

[9] 朱童, 余占清, 曾嶸, 等. 混合式直流斷路器模型及其操作暫態特性研究[J]. 中國電機工程學報, 2016, 36(1): 0018-0030.

[10] 魏曉光, 羅湘, 曹軍正, 等. 一種直流斷路器及其開斷方法: CN103178486[P]. 2013-06-26.

A d/dHybrid DC Circuit Breaker Based on Arcing-improved

Li Bo, Peng Zhendong, Yang Chenguang,Ren Zhigang

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

TM561

A

1003-4862（2019）08-0023-04

2019-1-25

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