一種混合式斷路器自然換流過程改進措施

劉湘衡

一種混合式斷路器自然換流過程改進措施

劉湘衡

(海軍裝備部，武漢 430064)

針對自然換流過程中電流轉移時間過長等問題，本文提出一種采用外加高頻變換磁場，利用機械開關在高頻磁場中產生的感應電動勢和機械開關電弧電壓的疊加，以增大故障電流轉移階段中機械開關支路電壓，減小電流轉移時間的方案。在利用Q3D提取了機械開關支路的雜散電感的基礎上，進行了改進方案的仿真分析。結果表明，所提方案能大幅縮短故障電流的轉移時間，確保斷路器分斷的可靠性。

換流 混合式斷路器 半導體 高頻磁場

0 引言

混合式斷路器具有導通損耗低，關斷能力強，壽命長等一系列優點，是電力系統中有效的故障保護裝置。當短路故障發生后，混合式斷路器中的機械開關斷開，在弧壓作用下，短路電流由機械開關支路轉移到半導體開關中。機械開關打開后的弧壓較低（通常在30 V左右）。由于短路電流上升率較快，在回路雜散電感以及半導體開關通態壓降的影響下，導致電流轉移時間過長，甚至出現電流轉移失敗問題，嚴重威脅了混合式斷路器工作的可靠性。

目前，國內外很多學者開展了關于混合式斷路器電流轉移過程中關鍵問題的研究。文獻[1]提出，采用在機械開關支路串聯全控型半導體器件的方案，增大電流轉移過程中的電壓，以確保電流的安全轉移。然而，這樣會導致斷路器正常工作狀態下通態損耗的增加；文獻[3]中采用增大機械開關斷口的數量，以增大轉移過程中電弧電壓。然而，該方案只適用于低電壓等級的混合式斷路器，隨著電壓等級升高，該方案不再適用。

文獻[4]指出，在高電流上升率的短路工況下，機械開關支路和半導體開關支路的雜散電感是影響電流轉移的重要因素。短路電流快速上升過程，雜散電感反向感應電動勢的影響，是導致電流轉移時間過長，甚至電流轉移失敗的癥結所在。基于此，本文提出，采用外加高頻磁場的方案，利用感應磁場作用，在機械開關支路的雜散電感上感應出正向的電動勢，以增大支路電壓，促進電流向半導體開關支路轉移，減小電流轉移時間，確保斷路器工作的可靠性。

1 自然換流過程分析研究

混合式斷路器結構拓撲如圖1所示，包括機械開關支路、半導體開關支路和限壓耗能裝置。

圖1 混合式斷路器結構拓撲

短路電流從機械開關中轉移到半導體開關中的過程稱為自然換流過程。自然換流過程中的等效電路如圖2所示。其中，1表示機械開關打開后的電弧電壓，s1表示機械開關支路的雜散電感，2表示半導體開關的通態壓降，s2表示半導體開關支路的雜散電感。

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：

以5 kV電力系統為例，記短路故障發生時刻為零時刻，故障發生后，系統短路電流如式（2）：

若電力系統額定電流=5 kA，短路電流峰值∞=120 kA，短路時間常數=5 ms。半導體開關支路雜散電感s2=0.05 μH。聯立方程組（1）和（2），可得電流轉移時間Δ隨著機械開關支路雜散電感s1增大而變化的曲線如圖3所示。

由圖3可知，隨著機械開關支路雜散電感增加，電流轉移時間大幅增加，最終導致換流不成功，短路開斷失敗。在短路電流快速上升過程中，電流轉移時間的增加，意味著最終轉移到半導體開關支路中的電流將會增多，導致半導體開關的關斷壓力增大，甚至引起半導體開關的功率擊穿問題。

圖3 隨著雜散電感Ls1增加，電流轉移時間變化趨勢

以5 kV混合式斷路器為例，采用ANSYS EM提取回路雜散參數，如圖4所示，得到雜散電感s1=0.374 μH。

圖4 機械開關支路雜散電感提取

在MATLAB/Simulink中進行電流轉移過程仿真分析。系統中額定電流5 kA，在0.7 ms時發生短路故障，短路電流按式（2）所示上升，機械開關接收到分斷命令后，經過300 μs的固有延遲時間開始分斷，自然換流過程中各支路電流波形如圖5所示。

圖5 自然換流過程各支路電流波形

據圖5可知，電流轉移時間達589 μs，電流轉移完成后，短路電流達25 kA，會為半導體開關的關斷帶來很大的負擔。

2 外加磁場對自然換流過程的影響

文獻[5]指出，影響自然換流過程中的主要因素包括機械開關支路電壓和雜散電感、半導體開關支路的通態壓降和雜散電感。由于機械開關支路中的弧壓主要取決于觸頭的材料以及開距，很難從根本上明顯減小電流轉移時間。半導體開關支路中器件一旦選定，也無法通過外部手段明顯減小電流轉移時間。若在機械開關支路外加高頻變換磁場，將機械開關支路雜散電感在磁場中感應電動勢與機械開關電弧電壓1進行疊加，能明顯增大機械開關支路的電壓，減小故障電流的轉移時間，從而降低半導體開關開斷故障電流峰值。拓撲結構如圖 6所示。

圖6 改進型混合式斷路器結構拓撲

其中高頻變換磁場由脈沖放電回路產生，如圖7所示。令電感與機械開關支路中雜散電感s1形成耦合回路，在機械開關斷開的同時，觸發晶閘管T導通。在雜散電感s1上感應電動勢和機械開關弧壓的疊加作用下，促進短路電流轉移。

圖7 LC脈沖測試回路

利用ANSYS EM提取雜散電感，如圖8所示。得到=16μH，s1=0.374μH，互感=0.9μH。

圖8 改進型方案機械開關支路雜散電感提取

圖9 改進型方案自然換流過程仿真回路

根據上述分析，在MATLAB/Simulink中搭建仿真回路如圖9所示。其中脈沖放電回路中電容=1 mF，充電5 kV，電感=36 μH。

電流轉移過程各支路電流波形如圖10所示，可知，相同工況下，整個電流轉移過程僅為176 μs。電流轉移完成后，短路電流值為15 kA.

圖10 改進型方案自然換流過程各支路電流波形

3 結論

分析表明，采用在機械開關支路外加高頻磁場，利用機械開關支路雜散電感感應電動勢和機械開關弧壓的疊加作用，能促進短路電流由機械開關向半導體開關中的轉移，大幅減小自然換流過程中電流轉移時間，降低半導體開關中開斷短路電流峰值。對于確保短路器開斷的可靠性以及整個電力系統的安全運行具有重要的意義。

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Improved Scheme for Natural Commutation Process of Hybrid Circuit Breaker

Liu Xiangheng

(The Equipment Department of the Navy, Wuhan 430064, China)

TN34

A

1003-4862（2021）06-0082-03

2021-02-22

劉湘衡（1987-），男，碩士。研究方向：船舶保障。E-mail: 408668498@qq.com