短路電流對混合式斷路器關斷的影響分析

茹夢歌，彭振東

短路電流對混合式斷路器關斷的影響分析

茹夢歌，彭振東

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對混合式直流斷路器在短路電流上升沿就開始分斷動作的特性，展開短路電流預期峰值以及時間常數對斷路器分斷過程的影響的分析及仿真試驗。通過理論計算以及搭建仿真模型，得出在不同短路電流和時間常數情況下斷路器的各項工作指標的變化。

混合式斷路器 短路電流 時間常數 關斷過程

0 引言

直流電流不存在過零點，在斷路器分斷電流時，必需強制熄滅電弧才能斷開電流[1]；而混合式直流斷路器與傳統的直流斷路器不同，其在短路電流的上升沿就開始分斷的動作。因此，其分斷條件除了受短路電流影響之外，也受時間常數的影響[2]。

文獻[3]指出了時間常數是直流供配電系統以及直流斷路器的重要參數，對直流供配電系統中直流斷路器分斷電流性能影響很大，但未分析短路時間常數對斷路器各個分斷指標的具體影響。

很多文獻都研究過短路電流對斷路器是否能關斷成功的影響，但不同短路電流對斷路器關斷過程中各項指標的影響尚缺少具體研究。

針對上述問題，本文針對一種混合式直流斷路器，分析它在不同短路電流預期峰值和時間常數下，機械開關燃弧電流峰值、晶閘管關斷電流等的變化規律，并通過搭建仿真模型，觀察斷路器截斷電流、分斷時間、壓敏電阻吸收能量等隨短路電流預期峰值和系統時間常數的變化規律。

1 斷路器工作過程分析

如圖1所示，0和0為系統等效阻感，點為短路點，機械開關構成斷路器的主開關支路，晶閘管1構成電流轉移支路，晶閘管2、2和2構成的強迫關斷支路，壓敏電阻構成限壓耗能支路。

圖1 斷路器拓撲圖

當斷路器成功開斷時，各電流變化如圖2所示。在0時達到斷路器關斷整定值，在1時，機械開關開始關斷，同時觸發晶閘管1，使其在弧壓的作用下導通，電流開始轉移到晶閘管1中；當S降到0之后，在2時觸發晶閘管2，2、2、1、2回路導通，1中的電流在反向脈沖作用下開始下降，電流開始對2反向充電；隨著2電壓升高，達到的開通電壓，壓敏電阻開通，電流轉移到耗能支路中。

圖2 斷路器關斷過程電流波形

斷路器也有關斷失敗的情況，當機械開關燃弧電流峰值過大時，在2開通時，支路上的電流S還未降到零，電流轉移失敗造成斷路器關斷失敗，如圖3所示。即使在2開通前S降到0，但若沒有足夠的介質恢復時間，會重新導通導致關斷失敗。另外，晶閘管1關斷失敗，2儲能過低，以及壓敏電阻等因素均會造成斷路器關斷失敗。

圖3 斷路器關斷失敗電流波形

2 短路電流和時間常數對斷路器關斷影響的理論分析

從控制系統檢測到整定電流到發出關斷信號到機械開關接收到控制信號并開始關斷，需要一定的間隔時間。為了簡化控制，2也需提前設置好開通時間。

忽略系統正常運行時的電流，則短路電流表達式為

其中max為短路電流預期峰值，為時間常數，短路電流增長率為

如圖4所示為斷路器分斷過程中的一些電流和時間的概念。在0時刻短路電流到達斷路器整定值，1時刻機械開關開始關斷，3時刻短路電流達到最大值即斷路器截斷電流，從整定電流增加到截斷電流的時間3-0為斷路器的截斷時間，從整定電流到短路電流降為0的時間4-0為斷路器分斷時間。

圖4 斷路器分斷時間定義

2.1 時間常數的影響

推導出

將式（4）代入式（5）可得

由式（6）可以看出，當max保持不變，為定值時，隨時間常數的增大而減小。因此在理想線路和元器件的條件下，機械開關燃弧電流峰值和晶閘管關斷電流都隨時間常數的增大而減小。

2.2 短路電流預期峰值的影響

根據式（2）可知，當時間常數不變時，電流增長率隨max增大而增大，隨時間的減小而增大。因此當時間常數不變時，max越大，短路電流越快到達整定值，電流增長率越大，則越大。在理想線路和元器件條件下，機械開關燃弧電流峰值和晶閘管關斷電流都隨短路電流預期峰值的增大而增大。

3 仿真試驗分析

在PSCAD中搭建斷路器的仿真模型，通過改變主系統等效電感，來改變時間常數；通過同時改變主系統等效電阻和電感，來保持時間常數不變的同時改變預期短路電流峰值。

圖5 不同max和時燃弧電流峰值

圖5為機械開關燃弧電流峰值分別隨時間常數和預期短路電流峰值max的變化。當max不變時，燃弧電流峰值隨的增大而減小；當不變時，燃弧電流峰值隨max的增大而增大。

圖6為電流轉移時間分別隨時間常數和預期短路電流峰值max的變化。當max不變時，電流轉移時間隨的增大而減小；當不變時，電流轉移時間隨max的增大而增大。

隨著機械開關燃弧電流峰值增加和電流轉移時間增加，機械開關燃弧能量也增加。由于強迫關斷支路的導通時間是固定的，燃弧能量的過大會導致機械開關開斷失敗。從試驗結果來看，當時間常數為1 ms時，預期電流峰值大于等于50 kA時，在2、2、1、2回路導通前，機械開關沒有成功開斷，因此斷路器就會關斷失敗；當預期短路電流峰值110 kA，時間常數3 ms時，機械開關也不能成功開斷，斷路器也會關斷失敗。

圖6 不同max和時電流轉移時間

圖7 不同Imax和τ時晶閘管關斷電流

圖7為晶閘管關斷電流分別隨時間常數和預期短路電流峰值max的變化。在斷路器關斷成功的條件下，當max不變時，晶閘管關斷電流隨的增大而減小；當不變時，晶閘管關斷電流隨max的增大而增大。

晶閘管關斷電流過大，可能會超出晶閘管正常工作范圍，導致晶閘管不能正常關斷，從而造成斷路器關斷失敗。

圖8為截斷電流分別隨時間常數和預期短路電流峰值max的變化。當斷路器成功關斷時，截斷電流是短路電流的最大值。在斷路器關斷成功的條件下，當max不變時，截斷電流隨的增大而減小；當不變時，截斷電流隨max的增大而增大。

圖9為分斷時間分別隨時間常數和預期短路電流峰值max的變化。分斷時間越短，則斷路器和系統承受短路電流的時間就越短。在斷路器關斷成功的條件下，當max不變時，分斷時間隨的增大而增大；當不變時，分斷時間隨max的增大而減小。

圖8 不同max和時截斷電流

圖9 不同Imax和τ時分段時間

圖10為壓敏電阻支路電流的波形圖，由圖示試驗結果可以看出，max越大，壓敏電阻開通越早，對短路電流的能量消耗越快，但通過的電流值越大；越小，壓敏電阻開通越早，對短路電流的能量消耗越快，但通過的電流峰值越大。

圖11是壓敏電阻消耗的能量分別隨時間常數和預期短路電流峰值max的變化曲線。在斷路器關斷成功的條件下，當max不變時，壓敏電阻消耗的能量隨的增大而增大；圖11中紅色圓圈圈出同一時間常數下，壓敏電阻耗能最小的位置，可以看出，當不變時，壓敏電阻消耗的能量基本隨max呈現先減小后增大的趨勢，隨著的增大，這個最小點會在max越大時出現。

圖10 壓敏電阻支路電流變化波形

圖11 不同max和時壓敏電阻耗能

4 結論

對于傳統的直流斷路器，其分斷過程是在短路電流達到峰值之后進行的。因此，對于同一型號斷路器，不論電路時間常數是多少，該斷路器都能開斷比額定短路電流小的短路電流。

而混合式直流斷路器的開斷是在短路電流上升階段就開始進行的，因此斷路器的分斷能力受短路電流峰值和短路電流上升率大小的影響。短路電流越大或短路電流時間常數越小，則S燃弧電流峰值、晶閘管關斷電流和截斷電流越大，斷路器關斷環境越苛刻，越容易關斷失敗。但若能關斷成功，其分斷時間也會越短，能使系統更迅速脫離故障。對于同一型號混合式直流斷路器，它能分斷比其額定短路電流小和時間常數大的短路電流。

[1] Ding C, Tang D, Tian X. Contact design of arc extinguishing chamber in virtual platform of mechanical DC circuit breaker[C]// 2020 5th Asia Conference on Power and Electrical Engineering (ACPEE). 2020.

[2] 孔祥斌, 矯財東, 趙亮, 等. 直流斷路器在不同時間常數下臨界負載電流的測試及分析[J]. 電器與能效管理技術, 2018, 559(22): 86-90.

[3] 王興利, 趙科達, 胡浪濤, 等. 低壓直流斷路器時間常數探討[J]. 電氣技術, 2018, 19(10): 88-91.

Analysis of influence of short circuit current on shutdown of hybrid circuit breaker

Ru Mengge, Peng Zhendong

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

A

1003-4862（2022）06-0045-04

2021-09-01

茹夢歌(1996-)，女，碩士。研究方向：艦船電力電子應用技術研究。E-mail: 1181144685@qq.com