斷路器換流參數對混合式斷路器關斷特性的影響

曹鵬飛，張 鵬，茹夢鴿

斷路器換流參數對混合式斷路器關斷特性的影響

曹鵬飛，張 鵬，茹夢鴿

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

混合式斷路器電氣參數尤其是換流回路的參數對于斷路器的性能、體積和成本有很大的影響，不同的關斷環境對構成斷路器各元器件的型號與參數配置有較為嚴格的要求。本文通過對斷路器拓撲的分析計算，得出斷路器換流參數對斷路器關斷特性的影響。

混合式斷路器換流參數關斷過程

0 引言

對混合式斷路器的改進研究一般多在提出新型拓撲結構或改進原有拓撲結構，從電氣參數層面進行優化設計的研究相對較少。不同的開斷環境對混合式斷路器中各路元器件的型號和參數配置有較為嚴格的要求，電氣參數對于斷路器性能、體積和制造成本等也有很大影響。隨著直流電力系統的發展，對直流混合式斷路器有提高分斷性能、擴大使用范圍、追求小型化等要求[1～2]。因此對混合式斷路器的電氣參數尤其是換流參數進行優化，不僅有利于滿足不同系統環境下的開斷條件，也有利于提高斷路器自身性能。

文獻[3]描述了為達到斷路器分斷的某種最佳狀態，對換流參數如何設置，但缺少對換流參數對分斷特性影響的定量分析。

文獻[4]介紹了強迫換流參數對斷路器中晶閘管的影響，通過設置合適的換流參數，防止晶閘管的反向恢復過電壓擊穿和重加正電壓擊穿。

關于斷路器換流參數國內外少有較為系統的研究，針對上述問題，本文對斷路器工作過程進行分析計算，建立斷路器的數學模型，總結出斷路器分斷過程中的晶閘管關斷電流變化率、斷路器截斷電流、反向電壓峰值和反向電壓持續時間以及斷路器分斷時間隨換流參數的變化規律。

1 組成結構及工作原理

如圖1所示為斷路器拓撲結構。

斷路器工作過程有電流轉移階段、強迫換流階段和耗能階段，對這三個階段分別建立模型可以得到斷路器主電路工作過程的模型。

圖1 斷路器主回路拓撲

圖2 自然換流過程的等效電路圖

如圖2所示為自然換流過程的等效電路圖，圖3為其S域等效電路圖，其中a是機械開關關斷時的弧壓，S1是機械開關支路雜散電阻，S1是機械開關支路雜散電感，U1是晶閘管1的閾值電壓，R1是電流轉移支路等效電阻，L1是電流轉移支路等效電感。

圖3 自然換流過程S域等效電路圖

由于短路電流數值大且上升率高，為便于分析計算，做出以下三個假設條件：

a)系統初始時刻電流近似于零；

b)以電流開始轉移的時刻為零時刻；

c)假設從系統開始短路到電流開始轉移的時間段為t1。

基于以上假設，短路電流為

根據圖3可列式（3）

其中：

如圖4所示為強迫換流階段的等效電路圖。

以觸發晶閘管T0導通的時間為零時刻，可列下式

初始條件為：

解得：

壓敏電阻采用式（9）模型：

在代入合適參數后，通過改變換流電容值和換流電感值，總結出換流參數對斷路器關斷特性的影響趨勢。

2 換流電容對斷路器關斷特性的影響

在實際應用中，電力系統對斷路器體積與重量有一定的要求。換流器件的體積重量占了很大比重，為保證強迫換流階段的成功，需要大電容和高充電電壓，這導致電容以及充電機的體積重量增大。為保證晶閘管的關斷電流變化率在一定范圍內，不至于使d/d過大損壞晶閘管等器件，也不至于使d/d過小導致換流失敗或增加關斷時間，換流電感也許選定合適的數值。研究換流參數對斷路器關斷特性的影響規律，可以在實際應用中，根據系統對斷路器的要求調整換流參數。

以換流電感作為自變量，總結觀察晶閘管關斷電流變化率、斷路器截斷電流、反向電壓峰值和反向電壓持續時間以及斷路器分斷時間隨變量的變化規律。

取10組換流電感的值，對結果進行分析統計可得電感變化對晶閘管關斷電流變化率、斷路器截斷電流、反向電壓峰值和反向電壓持續時間以及斷路器分斷時間的影響，在其他條件不變的情況下，當電感大于等于2.2 μH時，斷路器會關斷失敗。

圖5為晶閘管關斷電流變化率隨換流電感的變化曲線，隨著換流電感的增大，晶閘管關斷電流變化率減小。針對關斷電流變化率這一指標，電感的選擇最大不能使強迫換流失敗，最小不能使晶閘管損壞。

圖5 di/dt隨換流電感的變化曲線

圖6為斷路器截斷電流隨換流電感的變化曲線，可以看出換流電感的變化基本不影響截斷電流的大小。

圖6 截斷電流隨換流電感的變化曲線

圖7為晶閘管關斷后的反向電壓峰值隨換流電感的變化曲線，可以看出，隨著電感的增大，反壓峰值降低，反向電壓峰值對晶閘管的關斷時間有一定的影響，反壓越高，晶閘管關段時間越短，反向電壓過高可能會導致晶閘管反向擊穿，在保證晶閘管不會反向擊穿的情況下，選擇更小的電感有利于晶閘管的反向恢復。

圖7 反向電壓峰值隨換流電感的變化曲線

圖8為反壓持續時間隨換流電感的變化曲線，電感越大，反向電壓持續時間越短，反壓持續時間過長不利于斷路器分斷的快速性，反壓持續時間越短，則有可能在晶閘管載流子未完全復合前給晶閘管兩端加上正向電壓，導致晶閘管正向擊穿，在保證其大于晶閘管關斷時間的前提下，應選擇更大的換流電感以縮短反壓持續時間。

圖8 反壓持續時間隨換流電感的變化曲線

圖9為斷路器分斷時間隨換流電感的變化曲線，隨著換流電感增大，斷路器的分斷時間增加。

圖9 斷路器分斷時間隨換流電感的變化曲線

3 換流電容對斷路器關斷特性的影響

以換流電容作為自變量，總結觀察晶閘管關斷電流變化率、斷路器截斷電流、反向電壓峰值和反向電壓持續時間以及斷路器分斷時間隨變量的變化規律。

取10組換流電容的值，對結果進行分析統計可得電容變化的對晶閘管關斷電流變化率、斷路器截斷電流、反向電壓峰值和反向電壓持續時間以及斷路器分斷時間的影響。

圖10為晶閘管關斷電流變化率隨換流電容的變化曲線，隨著換流電容的增大，晶閘管關斷電流變化率增大，當電容過大導致電流變化率過高時，可能會導致晶閘管的損壞，而電容過小會導致強迫換流的失敗。換流電容的選擇應最大不能使d/d過大導致晶閘管損壞且體積要在設計單位內，最小需保證強迫換流的成功。

圖10 di/dt隨換流電容的變化曲線

圖11為斷路器截斷電流隨換流電容的變化曲線，可以看出換流電容的增大會導致截斷電流略微增長。

圖12為晶閘管關斷后的反向電壓峰值隨換流電容的變化曲線，可以看出，隨著電感的增大，反壓峰值增大。

圖11 截斷電流隨換流電容的變化曲線

圖12 反向電壓峰值隨換流電容的變化曲線

圖13為反壓持續時間隨換流電容的變化曲線，電容越大，反向電壓持續時間越長。

圖13 反壓持續時間隨換流電容的變化曲線

圖14為斷路器分斷時間隨換流電感的變化曲線，隨著換流電容的增大，斷路器的分斷時間增加。

圖14 分斷時間隨換流電容的變化曲線

4 結語

本文通過建立數學模型，來分析斷路器的運行過程，通過改變換流電容和電感，來探究換流參數對斷路器分斷特性的影響規律，得出以下結論：晶閘管關斷電流變化率隨2的增大而減小，隨2的增大而增大；斷路器截斷電流的大小基本不受換流參數的影響；反向電壓峰值隨2的增大而減小，隨2的增大而增大；反向電壓持續時間隨2的增大而減小，隨2的增大而增大；斷路器分斷時間隨2的增大而增大，隨2的增大而增大。

[1] 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): 7.

[2] Park J D, Candelaria J. Fault Detection and Isolation in Low-Voltage DC-Bus Microgrid System[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, 28(2): 779-787.

[3] 劉曉明, 于德恩, 鄒積巖. 基于弧后鞘層發展分析的直流真空斷路器換流參數優化[J]. 真空科學與技術學報, 2015(9): 6.

[4] 劉軼強. 強迫換流參數對晶閘管工作特性的影響分析[J]. 船電技術, 2019, 39(11): 5.

Influence of circuit breaker commutation parameters on shutdown of hybrid circuit breaker

Cao Pengfei, Zhang Peng, Ru Mengge

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

TM561

A

1003-4862（2022）09-0014-05

2022-07-11

曹鵬飛（1983-），男，高級工程師，研究方向：低壓電器設備。E-mail：xjtu3005@163.com