一種提高高壓直流斷路器機械開關觸發回路可靠性的方法

李樂樂，汪 濤，李漢杰，張茂強，田 杰

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

柔性直流輸電系統具有可向無源網絡供電、不會出現換相失敗、運行方式靈活等傳統直流無法比擬的優點，但是在發生直流側短路時，由于直流側等效電阻很小，所有換流器子模塊的儲能元件同時對故障點放電，會造成故障電流迅速上升。如果不對故障線路進行隔離，只能利用換流器交流側的交流斷路器切除故障電流，或者通過本身具有電流切除能力的換流器閉鎖來切除短路電流[1-5]，最終結果是任何一條直流線路上發生短路故障，都會導致柔性直流輸電系統的所有換流器閉鎖、系統停運，嚴重危害直流電網及相連的交流系統安全。

通過在直流線路兩側裝配高壓直流斷路器，在直流故障發生后，迅速將故障線路切除，可以保證整個系統不受故障線路影響[6-10]，但是如果高壓直流斷路器不能正確動作，就無法起到應有的故障切除作用。高壓直流斷路器已經成為直流電網故障元件快速隔離、構建直流電網的關鍵設備。

快速機械開關作為混合式高壓直流斷路器的關鍵組成部件，可以在幾毫秒內完成分斷，并將故障電流轉移至可以分斷故障電流的轉移支路電力電子開關中[11-15]，從而實現系統短路故障電流的切斷。快速機械開關之所以能達到這么快的分合閘速度，是通過觸發回路控制放電回路的半導體開關導通，將分合閘儲能電容中的能量迅速在分合閘線圈產生上千安培的電流，在斥力盤中產生強大的電磁斥力，帶動觸頭實現分合閘操作[16-17]。機械開關觸發回路動作的可靠性直接決定快速機械開關甚至整個斷路器能否正常運行，文獻[18-19]對快速機械開關的動作時間、絕緣性能進行了研究，文獻[20]對機械開關的動作機構進行了研究，但少有文獻對機械開關觸發回路及其可靠性進行研究，因此研究如何提高快速機械開關觸發回路的可靠性意義重大。

在實際工程應用中，一般通過半導體器件的串聯來提高其防誤動的可靠性，通過部分功能電路的冗余設計來提高其防拒動的可靠性，但是往往因設計不足導致可靠性提升有限[21-28]。本文基于快速機械開關在高壓直流斷路器中的應用工況以及工程應用經驗，對如何進一步提高快速機械開關觸發回路可靠性進行深入研究。

1 快速機械開關觸發回路現狀研究

為了達到更高的絕緣水平，快速機械開關一般通過多個斷口串聯的方式來實現，每個斷口有完全相同且獨立的觸發回路。如圖1 所示，觸發回路由一次放電回路和二次控制回路組成，放電回路通常用功率半導體器件實現，如SCR（晶閘管）控制回路用于實現放電回路的監視和控制。快速機械開關的動作原理為： 控制回路接收上級下發的分合閘命令，控制放電回路導通，分合閘儲能電容中的能量在分合閘線圈中產生大電流，推動斥力盤帶動觸頭實現斷口的分閘或合閘操作。

快速機械開關觸發回路主要由電源模塊、命令接收模塊、FPGA（現場可編程邏輯門陣列）模塊、觸發模塊、SCR 等五大模塊單元組成。為了提高觸發系統的可靠性，兼顧成本、體積、電氣隔離等限制措施，在實際工程應用中通常會采取部分冗余措施以提升可靠性。

圖1 一個斷口的分合閘回路

如圖2 所示，一次放電回路中采用兩級SCR串聯，二次控制回路中控制板卡采用雙路電源冗余供電、雙路控制命令冗余接收，每只SCR 配備獨立的觸發回路等。

圖2 工程常用的觸發回路

一次放電回路通過兩級SCR 串聯在一定程度上可以降低觸發回路誤動的概率，但是也增大了觸發回路拒動的概率。控制回路的冗余設計可以提高單級SCR 觸發可靠性，但是對于一次放電回路的整體觸發可靠性提升有限，本文對現有的觸發回路進行深入分析，研究了能進一步提高快速機械開關觸發回路可靠性的方法。

2 提高觸發回路可靠性分析

2.1 現有觸發回路分析

快速機械開關觸發回路是由電源模塊、命令接收模塊、FPGA 模塊、觸發模塊、SCR 等眾多模塊單元組成的混聯系統。該混聯系統可分解為串聯系統和并聯系統的組合，以下將從串、并系統的角度對觸發回路的可靠性進行詳細分析。

2.1.1 串聯系統

串聯系統是組成系統的所有單元中任一單元失效就會導致整個系統失效的系統，假定各單元是統計獨立的。

系統可靠性數學模型為：

式中： Ra為系統可靠度；Ri為第i 單元可靠度。

系統失效率數學模型為：

式中： λa為系統失效率；λi為第i 單元失效率。

串聯系統的可靠度隨著單元可靠度的減小及單元數的增多而迅速下降，為了提高串聯系統的可靠性，單元數宜少，而且應該重視改善最薄弱單元的可靠度。

2.1.2 并聯系統

并聯系統是組成系統的所有單元都失效時才失效的系統，假定各單元是統計獨立的。

則系統可靠性數學模型為：

式中： Fi為第i 單元不可靠度；Ri+Fi=1。

則系統失效率數學模型為：

并聯系統對提高系統的可靠度有顯著效果，考慮到成本等因素，實際工程應用中n 常取2，3。

假設快速機械開關觸發回路五大組成單元的可靠度及失效率分別為：

（1）電源回路可靠度為R1，失效率為λ1；

（2）光接收回路可靠度為R2，失效率為λ2；

（3）FPGA 可靠度為R3，失效率為λ3；

（4）觸發模塊可靠度為R4，失效率為λ4；

（5）SCR 可靠度為R5，失效率為λ5。

為便于進行統計分析，假設各單元的可靠度都相等，均為R1=R2=R3=R4=R5=R，各單元的失效率都相等，均為λ1=λ2=λ3=λ4=λ5=λ。

圖2 所示為工程常用的快速機械開關觸發回路，其觸發系統的等效模型如圖3 所示，并聯系統中任一單元故障，不影響觸發回路正常工作，快速機械開關可進行正常的分合閘動作；串聯系統中任一單元故障，則觸發回路故障，快速機械開關拒動，導致系統不能正常分合閘。

圖3 工程常用觸發回路等效模型

該系統分合閘正常動作的可靠度為：

該系統分合閘發生拒動的失效率為：

2.2 高可靠性觸發回路1 分析

為進一步提升觸發系統的可靠性，本文對一次放電回路和二次控制回路分別加以優化，如圖4 所示。

圖4 提高可靠性后的觸發回路1

（1）一次放電回路配置。采用4 只SCR 先串聯再并聯的方式，串聯保證了單級SCR 故障不會引起放電回路誤觸發，并聯保證了單級SCR 故障不會引起放電回路拒動。

（2）二次控制板卡配置。采用2 塊獨立的控制板卡，分別控制2 個獨立的SCR 串聯放電回路，單一板卡故障，不影響另一套SCR 串聯放電回路正常工作。

（3）二次控制板卡。每個二次控制板均設計冗余電源單元、冗余光接收單元、冗余FPGA 配置，任一單元故障不影響該板卡正常工作，2 路獨立的SCR 觸發回路分別控制串聯放電回路的2只SCR。

圖5 為優化后的觸發回路1 等效模型。

該系統分合閘正確動作的可靠度為：

該系統分合閘發生拒動的失效率為：

2.3 高可靠性觸發回路2 分析

為進一步提高放電回路的冗余度，可以將放電回路設計為先并聯再串聯的方式（如圖6 所示），當SCR1，SCR4 或SCR2，SCR3 同時發生觸發故障時，放電回路仍能正常工作。但是當SCR1，SCR4 或SCR2，SCR3 晶閘管同時發生擊穿故障時，放電回路會發生誤觸發。該方案在提高觸發回路正常動作可靠性的同時，也提高了誤觸發的動作概率。

圖7 為優化后的觸發回路2 等效模型。該系統分合閘正確動作的可靠度為：

圖5 提高可靠性后的觸發回路1 等效模型

圖6 提高可靠性后的觸發回路2

圖7 提高可靠性后的觸發回路2 等效模型

該系統分合閘發生拒動的失效率為：

2.4 不同觸發回路可靠性對比

為便于對3 種觸發回路的可靠性進行對比分析，取可靠度R=0.999 9，失效率λ=0.000 1，計算各觸發回路的可靠性數據，如表1 所示。

表1 不同觸發回路可靠性數據比較

從表1 中可以看出，觸發回路2 的正確動作可靠度是最高的，冗余設計可以在某單元發生故障時保證快速機械開關正常動作，觸發回路1 的正確動作可靠度略低，遠高于工程常用觸發回路的可靠度；高可靠性觸發回路1 的拒動失效率是最低的，在某單元發生故障時保證快速機械開關不會發生拒動。在放電回路發生兩級SCR 擊穿故障時，高可靠性觸發回路1 發生誤動的概率是最小的。不同觸發回路的可靠性直觀對比見圖8。

圖8 不同觸發回路可靠性對比

綜上，高可靠性觸發回路1 的實現方法能最大程度上保證機械開關動作的可靠性。

3 結語

本文針對高壓直流斷路器快速機械開關觸發回路，從其正確動作可靠度、拒動失效率、誤動概率等方面進行深入分析，提出了提高機械開關觸發回路可靠性的方法，通過對不同觸發回路組成的混聯系統進行對比分析，兼顧故障發生時觸發回路提高正常動作可靠性，同時降低誤動、拒動發生的概率，提出了一種適合工程應用的最優觸發回路實現方案，在直流系統發生故障時確保高速機械開關觸發回路能可靠動作，使高壓直流斷路器能及時、可靠地切除故障點，保障直流輸電系統安全、穩定運行。