一種混合直流真空斷路器參數設計方法

周 婕，劉 佳，張 浩

一種混合直流真空斷路器參數設計方法

周 婕1，劉 佳1，張 浩2

（1. 中國合格評定國家認可中心，北京 100062；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為合理設計混合直流真空斷路器各支路器件參數，以提升開斷故障電流速動性及可靠性。本文首先針對自然換流階段支路雜散參數及主回路電流上升率對轉移速度的影響進行研究，確立了半導體開關型號及連接方式；隨后通過LC單頻振蕩回路使半導體開關電流過零，為確保該強迫換流階段半導體開關兩端反向承壓時間大于其固有關斷時間使其夠可靠關斷，對換流電容和換流電感參數進行了優化；最后從吸能角度出發確立了壓敏電阻特性參數。基于該設計方法進行了20kA電流等級試驗并取得高效分斷性能。

自然換流 轉移速度 強迫換流 固有關斷時間 分斷性能

0 引言

真空斷路器由于具備良好的滅弧性能和友好的環保特性而逐步取代SF6型斷路器，但應用于高壓大電流環境下，在弧后極易發生電弧重燃而導致分斷失敗，此時若將真空斷路器電流轉移至電力電子器件并強迫關斷故障電流后，由于電力電子器件的電壓鉗位作用，為真空開關提供了充足的“零電壓”介質恢復時間，分斷可靠性得到大幅提升。因此引入了圖1所示的一種兼備真空開關低損耗通流特性及半導體優異關斷性能的混合式直流斷路器[1-4]，其工作過程主要分為三個階段：自然換流、強迫換流及吸能過程。自然換流過程中真空開關及半導體支路的雜散及寄生參數對電流轉移速率有著明顯影響[5-7]；強迫換流過程中換流參數的選取關系到開關的關斷性能[8-10]；而吸能過程中壓敏電阻參數對全分斷時間及吸收能量大小有一定影響。本文通過對三次電流轉移階段進行深入研究，并分析了半導體支路器件選型及各支路參數設計等直接影響斷路器分斷性能的一系列指標，最后在相應電流等級下進行重頻試驗，達到了本設計的預期目標。

圖1 混合式直流斷路器原理圖

1 自然換流階段

為使真空開關VS中故障電流迅速轉移至晶閘管T支路，現分析兩支路參數對轉移時間的影響，轉移等效電路如圖1所示，V、T分別為燃弧支路及轉移支路等效電阻，V、T分別兩支路寄生電感，arc、T分別為真空開關燃弧電壓及晶閘管通態壓降，在故障電流上升時間為1 ms處，觸發轉移支路半導體開關開始實現故障電流自然轉移。轉移等效電路見圖2 。

圖2 自然換流等效電路

根據等效電路，列寫回路基爾霍夫電壓方程為

轉移完成后，真空開關支路電流V=0，可求出轉移時間表達式為

由于大電流自然換流階段真空介質燃弧電壓幅值約30 V，且通過弧壓的鉗位作用，晶閘管T工作在低壓大電流環境，因此為了保障通流條件并減小晶閘管支路雜散參數對轉移時間的影響，晶閘管組件可采用單件并聯的方式。下面結合仿真工具深入分析式(2)中各回路參數對轉移時間的影響。

1.1 等效電阻對轉移過程的影響

在燃弧支路及轉移支路雜散電感分別取值V=1 μH、T=0.5 μH，晶閘管T通態壓降取值T=1.5 V條件下，基于PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件分析兩支路等效電阻對轉移過程的影響見圖所示，可見燃弧支路等效電阻變化，轉移時間幾乎不變，只對轉移過程中兩支路電流動態分配存在一定影響；而轉移支路等效電阻越大，轉移時間越長，當其增大至一定數值后，便會出現電流轉移失敗現象，因此應盡可能減小晶閘管等效電阻，成功且迅速完成自然換流過程。

圖3 回路電阻對轉移過程的影響

1.2 雜散電感對轉移過程影響

在燃弧支路及轉移支路等效電阻分別取值V=50 μΩ、T=0.5 mΩ的條件下，分析兩支路不同雜散電感參數對轉移過程的影響如圖4所示，可知隨著兩支路雜散電感不斷增大，電流轉移時間逐漸變大，且轉移支路雜散電感影響更為明顯，因此可采用多個晶閘管單件并聯連接方式并保證各連接點接線緊湊，盡可能的減小雜散電感對轉移過程的影響。

圖4 回路電感對轉移過程的影響

1.3 故障電流上升率對轉移過程的影響

實際工況中，不同的短路故障發生條件導致故障電流上升率也有所區別，現通過仿真中選取不同數值的負載電感分析不同電流變化率對轉移過程的影響見圖5，隨著故障電流上升率不斷增大，轉移過程中真空開關分配電流幅值變大，導致轉移時間增大，但趨勢逐漸飽和，不會引起電流轉移失敗現象。

1.4 晶閘管參數選型

經過上述對自然換流階段電流轉移特性的分析，采用5組及以上Y100KKM4000-4800快速晶閘管并聯方式作為轉移支路開關器件能夠完成20 kA電流轉移分斷功能，并測得該型號單件在不同轉移電流下的通態特性見圖6，運用于本研究電流區間下的單件通態電阻約為=0.3 mΩ，并將實物3D圖導入ANSYS/Q3D中計算出單件寄生電感為T=0.5 μH。并在主回路電流上升率約10 A/μs的條件下測出5～8組單件并聯下轉移特性如圖7所示，可見增加晶閘管單件并聯數目對電流轉移時間影響較小，為保持一定余量，本研究中采取6組Y100KKM4000-4800單件并聯方式作為轉移開關器件。

圖5 故障電流上升率對轉移過程的影響

圖6 Y100KKM4000-4800通態特性變化趨勢

圖7 并聯數量對轉移特性的影響

2 強迫換流階段

當電流由真空開關VS完全轉移至晶閘管T后，隨即導通控制開關TVS投入換流回路，隨著反向換流上升并使T電流過零，晶閘管進入反向恢復過程，并開始承擔反向電壓。當換流電容兩端電壓極性翻轉后，晶閘管兩端電壓變為正向，設此階段持續時間為s，晶閘管T固有關斷時間為q，若s大于q，T便能可靠關斷，反之T關斷失敗導致故障電流重新從主回路流通。現通過分析換流回路參數對T承擔反壓時間s大小的影響，首先為了滿足T反向耐壓要求，換流電容預充電取值C=6 kV，在確保能夠換流成功的條件下并保留一定裕量系數，換流電流峰值應滿足：

另外，為防止晶閘管T發生功率性擊穿，對其可靠關斷的電流變化率范圍要求如下：

根據以上約束條件，在P1：=320 μF，=20 μH；P2：=480 μF，=30 μH；P3：=640 μF，=40 μH；P4：=800 μF，=50 μH四組換流參數下，晶閘管T兩端反向承壓情況如圖所示，分析可知，隨著換流電容及換流電感數值的不斷增大，晶閘管T兩端反向電壓峰值減小，均不超過-4.5 kV，且承受反壓時間增大，該型號晶閘管反壓峰值等級滿足要求，其固有關斷時間為100 μs，因此應選取P3及以上等級換流參數，綜合考慮換流回路成本及體積，最終選取換流電容=650 μF，=40 μH。

圖8 不同換流參數下T的反向承壓情況

3 吸能階段

強迫換流階段結束后，系統及儲能電感不斷向換流電容反向充電直至達到壓敏電阻開通電壓后，RV開始吸收系統能量，并將換流回路電壓維持于其殘壓附近。此過程中斷路器全分斷時間及其吸收能量大小與壓敏電阻RV的開通電壓M及殘壓取值P關系見圖，首先壓敏電阻吸收能量與全分斷時間隨著M增大而減小，當M≥12 kV后，變化已不再明顯，可將RV開通電壓取值為M=12 kV；然后在開通電壓M=12 kV不變情況下，RV吸收能量同樣隨殘壓P的增大而減小，且趨于飽和，但殘壓取值對斷路器的全分斷時間影響甚微，綜合考慮換流電容在重頻條件下的反向耐壓等級要求，RV殘壓取值為M=14 kV。

圖9 壓敏電阻吸能隨開通電壓的變化規律

圖10 壓敏電阻吸能隨開通電壓的變化規律

4 試驗驗證

經過分斷參數設計后，搭建了圖11所示的試驗平臺，并進行了相應電流等級的分斷試驗，圖12為斷路器分斷典型電流波形，其中M為主回路電流，S為真空開關支路電流，T為晶閘管T支路電流，C為換流支路電流，R為壓敏電阻支路電流。該平臺采用儲能電容0=20 mF，調波電感0=500 μH，預置電壓C0=4 kV的振蕩回路參數模擬預期20 kA的故障電流。0時刻觸發主回路控制開關MS1，當故障發生后1時刻斷開真空開關VS，同時觸發晶閘管T導通，經過2-1時間的自然換流過程，故障電流完全轉移至半導體支路，3時刻觸發換流支路控制開關MS2，經過4-3時間的強迫換流，電流隨即轉移至換流支路，當系統能量不斷注入換流電容至其反向電壓在5時刻超過壓敏電阻RV開通閾值后，RV導通吸收系統能量，并最終于6時刻完成故障電流完全清除。經過參數合理化設計后，該混合式斷路器全分斷時間約為6.5 ms，通過故障電流三次轉移過程，在20 kA電流等級的重頻分斷環境下，故障切除性能穩定且可靠，可向高壓大電流領域拓展。

圖11 試驗回路

圖12 分斷電流典型波形

5 總結

本文提出一種高壓大電流混合斷路器的拓撲參數的合理設計方法，從斷路器的高分斷性能及快轉移特性的角度出發，分析了影響該型斷路器三個階段的電流轉移的因素：

1）自然換流階段支路雜散參數及故障電流變化率對電流轉移速度有一定影響，通過優化回路參數及設計晶閘管連接方式來提高自然換流速度；

2）強迫換流階段換流電容及換流電感影響晶閘管的可靠關斷，合理設計換流參數可使晶閘管的承受反壓時間大于其固有關斷時間；

3）吸能支路壓敏電阻的開通電壓及殘壓關系到全分斷時間和吸收能量大小，提出一組RV參數有助于提高斷路器分斷速度并盡可能減小單次吸能。

[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): 01-09.

[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, 201, 41(5): 1644-1653.

[3] 何俊佳, 袁召, 趙文婷, 等. 直流斷路器技術發展綜述[J]. 南方電網技術, 2015, 9(2): 9-15.

[4] 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.

[5] 溫偉杰，黃瑜瓏，呂綱，等. 應用于混合式直流斷路器的電流轉移方法[J]. 高電壓技術, 2016, 42(12): 4005-4012.

[6] 許烽, 江道灼, 黃曉明, 等. 電流轉移型高壓直流斷路器[J]. 電力系統自動化, 2016, 40(21): 98-104.

[7] 封磊, 茍銳鋒, 楊曉平, 等. 基于串聯晶閘管強迫過零關斷技術的混合式高壓直流斷路器[J]. 高電壓技術, 2018, 44(2): 388-394.

[8] Premerlani W. Forced commutation performance of vacuum switches for HVDC breaker application[C]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，Volume: PAS-101, Issue: 8，Aug. 1982: 2721-2727.

[9] Hiromio, Masataka Y, Ryohei S, et al. DC interruption characteristic of vacuum circuit breaker[J]. Electrical Engineering in Japan, 2007, 125(7): 687-694.

[10] 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): 18-30.

Parameter Design Method of Hybrid DC Vacuum Circuit Breaker

Zhou Jie, Liu Jia, Zhang Hao

（China National Accreditation Center for Conformity Assessment, Beijing 100062, China；Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2021）10-0033-05

2021-06-10

周婕(1982-)，女，碩士。研究方向：電氣安全、電磁兼容，實驗室及檢驗機構認可。E-mail: zhouj@cnas.org.cn

劉佳（1983-），男，碩士。研究方向：電氣安全、電磁兼容，實驗室及檢驗機構認可。E-mail: liujia@cnas.org.cn