固態(tài)斷路器在電器試驗系統(tǒng)中的運用

陳慧欣，羅 園

（甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018）

高壓交流斷路器作為大容量試驗操作控制的核心設(shè)備，因為操作次數(shù)頻繁，要求開斷控制精度高，開斷電流大，單純的機械結(jié)構(gòu)高壓斷路器已經(jīng)不能夠滿足試驗需求。固態(tài)斷路器作為一種特殊的控制高壓斷路器，可以利用電力電子器件和機械高壓斷路器的組合做到無觸點開斷，能夠在試驗室頻繁操作，控制精度高，機械壽命長，較普通斷路器有更多優(yōu)勢[1]。

該產(chǎn)品中電力電子器件采用串極并聯(lián)電容的設(shè)計，有效實現(xiàn)了每一級電壓的均衡分配。控制電路采用單片機控制，使得開關(guān)的控制可以實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[2]。

該固態(tài)斷路器分斷能力高、開斷時間短、機械壽命長、容量大，能夠滿足大容量試驗室實際使用的需要，可以成功地取代電器試驗回路中的斷路器與接觸器的組合，實現(xiàn)了真正意義上的無飛弧，大大節(jié)省了電器試驗回路的安裝空間，節(jié)省了限流裝置的使用，避免了限流裝置的能耗，節(jié)約了成本，有很高的應(yīng)用價值。

1 固態(tài)斷路器的理論背景

隨著電力系統(tǒng)配電自動化和現(xiàn)代化工業(yè)以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對高壓斷路器的要求也越來越高，尤其是大容量短路試驗室對于短路試驗容量和試驗關(guān)合角度的要求越來越嚴酷。

高壓交流斷路器作為大容量試驗必備設(shè)備，要求操作次數(shù)頻繁、開斷控制可靠、開斷電流較大，而單純的機械結(jié)構(gòu)斷路器已不能夠很好地滿足試驗操作的需要。高壓斷路器作為電力系統(tǒng)的重要控制和保護設(shè)備，對于維護電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運行有著重要的作用。目前，由于機械斷路器自身的限制，對于開斷電壓高故障電流大的回路來說著有一定的困難，尤其是大容量短路試驗室經(jīng)常對12 kV、60 kA以上的電流進行開斷，這樣的開斷要求對于機械結(jié)構(gòu)的斷路器來說有一定的困難，且開斷次數(shù)受限，而智能化的固態(tài)斷路器就可以很好地解決這一問題。

1.1 現(xiàn)階段研究與開發(fā)的意義

目前的交流高壓斷路器都是利用交流電弧過零自然熄滅這一特性，通過改善滅弧介質(zhì)、吹弧、拉弧、并聯(lián)電阻等方式使得電弧熄滅，從而斷開電路。而電弧是否熄滅取決于介質(zhì)強度的恢復(fù)速度和外施電壓的上升速度等因素，采用最廣泛的介質(zhì)是SF6，此種方式在頻繁的開斷中會產(chǎn)生有毒氣體危害人體健康，尤其在短路容量試驗室這種試驗場合危害更大。該產(chǎn)品是利用電力電子器件的無觸電特性設(shè)計的一種開關(guān)裝置，克服了傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)斷路器的缺點，不會在電流開通關(guān)斷瞬間產(chǎn)生電弧，再配合機械式斷路器一起工作。

隨著電力電子技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，利用電子電力器件做到斷路器無觸點開斷，對固態(tài)斷路器也可以實現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)化控制。由于智能電網(wǎng)不僅需要提前判斷電力故障，還需要有效切斷故障，使用固態(tài)斷路器就是一種有效控制方案。

1.2 國外同類先進技術(shù)

在高壓固態(tài)斷路器的研究與開發(fā)方面，發(fā)達國家處于技術(shù)領(lǐng)先地位。美國一科研機構(gòu)已經(jīng)制造出15 kV大功率電力電子器件、600 A的高壓固態(tài)斷路器，該樣機能夠在4 ms內(nèi)完成開斷。美國西屋電氣公司也研制出了13 kV、675 A的高壓固態(tài)斷路器，并在某變電所投入應(yīng)用；同時還有英國一電氣公司也研究開發(fā)了13 kV的高壓固態(tài)斷路器，專門應(yīng)用于供配電系統(tǒng)。其他發(fā)達國家也專門開展了高壓固態(tài)斷路器的研發(fā)，但大多數(shù)國家還處在進行樣品的開發(fā)，處于早期研究階段。英美研究開發(fā)的高壓固態(tài)斷路器，其主要通過幾個數(shù)千伏耐壓的可關(guān)斷晶閘管（GTO）串聯(lián)來實現(xiàn)開斷功能，基本都能在數(shù)十毫秒內(nèi)實現(xiàn)開斷。

通過查閱各類文獻發(fā)現(xiàn)[3-12]，理想的高壓固態(tài)斷路器應(yīng)該具有以下特點：

（1）穩(wěn)定性良好，開斷速度快，能夠在幾毫秒甚至在微秒級別范圍內(nèi)開斷。

（2）對開斷的時刻應(yīng)能精準控制。

（3）機械壽命及電壽命都盡可能長，不受使用時間限制。

（4）能有效地控制各種故障電流。

（5）結(jié)構(gòu)及功能良好,保證無嚴重故障。

高壓固態(tài)斷路器速度雖然要比上述理想的高壓固態(tài)斷路器慢很多，需要數(shù)十個交流二線式固態(tài)開關(guān)才能完成聯(lián)動，但短路的開斷時間完全能夠控制在數(shù)十微秒以內(nèi)，能有效地限制各種故障電流，短路分段能力雖然不能無限大，但能夠分斷的故障電流是額定電流的數(shù)十至數(shù)百倍。并且，允許短路次數(shù)實際上不會受到限制。基本上能夠達到上面提到的理想高壓固態(tài)斷路器的條件。

1.3 固態(tài)斷路器技術(shù)分析

筆者單位根據(jù)實際需要采用6.5 kV，2 kA的IGCT器件12只單路一組串聯(lián)，后兩組再并聯(lián)的方式形成一相，設(shè)計相序任意時刻的控制電路，配合控制斷路器，來滿足試驗控制需要。相比國外的技術(shù)有以下優(yōu)點。

（1）在一個工頻周期內(nèi)可以根據(jù)需要控制開關(guān)合分閘的角度。

（2）通流能力強，器件功耗低，不需要大面積的散熱裝置。

（3）無機械機構(gòu)，控制操作無噪聲，無機械力沖擊。

（4）采用了自關(guān)斷器件，這樣斷路器就能夠在最短的時間內(nèi)切斷電流，給電器試驗以更加可靠、安全的保護。

（5）配合機械結(jié)構(gòu)斷路器同時控制使用，大幅提高了控制和通流能力。

（6）在200 ms內(nèi)的通流能力可以達到50 kA，可控性強。

實現(xiàn)了真正意義上的無飛弧，所以大大節(jié)省了電器試驗回路的安裝空間，同時，可以用于礦山等要求防爆電器的嚴酷環(huán)境。

2 固態(tài)斷路器和傳統(tǒng)斷路器的區(qū)別

根據(jù)國家標準GB/T 1984規(guī)定高壓斷路器一般是指運行在額定頻率50 Hz,額定電壓等級在3 kV以上的交流斷路器，高壓斷路器主要作用就是電網(wǎng)回路中開斷和接通回路，來完成電網(wǎng)的配電功能。

傳統(tǒng)的高壓斷路器都是機械機構(gòu)帶動滅弧室中的動靜觸頭做機械運動來切斷電流，使回路中產(chǎn)生斷口的方式來實現(xiàn)。所有高壓電路器主要有機械機構(gòu)和滅弧室等核心結(jié)構(gòu)組成。

我國目前的輸配電電網(wǎng)系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣泛的斷路器是GIS、少油斷路器、SF6斷路器、真空斷路器等。35 kV以下市場基本是真空斷路器，目前，真空斷路器的電壓等級也在逐步提升。

（1）固態(tài)斷路器。隨著電力電子技術(shù)以及現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，固態(tài)斷路器作為柔性配電技術(shù)也逐步進入了人們的視野。固態(tài)斷路器是結(jié)合計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)等多項技術(shù)，朝著智能化的方向邁進。固態(tài)斷路器主要由以下幾部分構(gòu)成：信號檢測與處理、主控模塊、冷卻模塊、電源模塊、開關(guān)模塊，如圖1所示。

圖1 固態(tài)斷路器控制結(jié)構(gòu)圖

（2）固態(tài)斷路器的工作原理。固態(tài)斷路器工作是通過檢測模塊，電壓互感器、霍爾原件等檢測到電壓電流信號后，系統(tǒng)把檢測到的信號送入控制單元，控制單元根據(jù)檢測到的信號波形，符合接通或者開斷條件時做出判斷，根據(jù)波形的位置條件在合適的角度接通或者開斷。信號單元先是對采集到的波形進行濾波處理，送入AD模塊經(jīng)過處理，根據(jù)控制信號的控制要求角度進行合分操作。因此，當(dāng)發(fā)生故障時，控制單元檢測到信號后，迅速做出動作，固態(tài)斷路器迅速斷開，其開斷速度可以達到毫秒級。

3 固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計的固態(tài)斷路器是將電力電子器件通過并聯(lián)和串聯(lián)的方式連接在一起，通過串聯(lián)的模式提高電壓等級，通過并聯(lián)的形式形成交流控制模型，可以通過交流電流的開關(guān)。如果晶閘管是常規(guī)的硅整流管（SCR），則開關(guān)在交流電流第1次過零點時斷開回路，這將形成幾毫秒的時延。但是，采用門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），則能夠在一瞬間切斷電流。其原理如圖2所示。

圖2 固態(tài)斷路器原理接線圖

正常運行時，GTO導(dǎo)通的同時旁路斷路器同時動作合閘，先是固態(tài)斷路器合閘然后是旁路斷路器合閘接通電流，降低固態(tài)斷路器長時間工作的負擔(dān)，一旦檢測到故障，控制系統(tǒng)向GTO門極發(fā)出關(guān)斷脈沖，旁路斷路器和固態(tài)斷路器同時接受分閘信號，旁路斷路器先分閘，等待分閘到位后，固態(tài)斷路器在幾個毫秒內(nèi)，尋找故障電流的過零點切斷故障電流，因此，能夠很好地抑制電網(wǎng)電壓的跌落以及各種故障電流造成的嚴重損失。

晶閘管常用于大容量試驗的固態(tài)斷路器，如圖3所示。工作原理是，先設(shè)定該定值，在發(fā)生故障時，當(dāng)故障電流超過設(shè)定值時，系統(tǒng)檢測到信號使得CK開始放電，電流經(jīng)過T1、T2、LK回路，同時晶閘管T1截止，D續(xù)流，C于回路電感產(chǎn)生震蕩，放電電流經(jīng)過第一個電流零點時，T2關(guān)斷，控制結(jié)束。

圖3 晶閘管型斷路器的開關(guān)模塊

高壓固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先，斷路器采集高壓母線上的重要信號，如電壓和電路信號，也可以通過采用同步信號的方式來實現(xiàn)。對采集到的信號進行模數(shù)裝換，輸入到單片機，控制之前需要輸入對控制信號的控制角度，單片機在接受控制信號之后首先判斷需要控制合分的角度位置，在接收到當(dāng)前控制信號的一個周期內(nèi)就能做出控制動作，最長的控制動作可以在20 ms內(nèi)完成，單片機采用100 MHz的控制頻率，采用高速數(shù)模裝換芯片，能夠有效、高速、及時地做出反應(yīng)。

圖4 固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)

控制回路模塊采用單獨的電池電源供電，整體封裝在一個金屬盒子內(nèi)，可以有效提高其抗干擾能力。單獨的電池電源為其保證了在高壓回路中的安全性，避免控制回路受到高壓電源波動的影響。其余控制接口采用光電模塊信號，使得控制更加精確、時延極短，基本在20μS內(nèi)做出反應(yīng)。

4 結(jié)論

固態(tài)斷路器開發(fā)和應(yīng)用對于電力系統(tǒng)或者大容量試驗室短路開端試驗有著不可或缺的意義。

（1）此次開發(fā)的基于電力電子技術(shù)的固態(tài)斷路器采用了自關(guān)斷器件，這樣斷路器就能夠在最短的時間內(nèi)切斷電流，給電器試驗以更加可靠、安全的保護。

（2）電器試驗電壓及電流的調(diào)節(jié)可以通過斷路器來實現(xiàn)，由于固態(tài)斷路器具有短路開斷的功能，開斷的極限次數(shù)遠大于任何機械式開關(guān)，所以，本固態(tài)斷路器成功取代了電器試驗回路中的斷路器與接觸器的組合。

（3）實現(xiàn)了真正意義上的無飛弧，大大節(jié)省了電器試驗回路的安裝空間，同時，也可以用于礦山等要求防爆電器的嚴酷環(huán)境。

（4）短路開斷時間能控制在幾十毫秒以內(nèi)，因此，不需要電抗限流器或超導(dǎo)限流器，節(jié)省了限流裝置的使用，避免了限流裝置的能耗，節(jié)約了成本。