新型機電混合斷路器及其電流轉(zhuǎn)移過程分析

郭興宇 黃智慧,2 梁德世 鄒積巖

新型機電混合斷路器及其電流轉(zhuǎn)移過程分析

郭興宇1黃智慧1,2梁德世1鄒積巖1

（1. 大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 大連 116024 2. 大連理工大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心 大連 116024）

為降低傳統(tǒng)機械式斷路器動作過程產(chǎn)生的觸頭燒蝕、暫態(tài)恢復(fù)電壓與介質(zhì)恢復(fù)過程的競爭、關(guān)合涌流等暫態(tài)過程的影響，該文提出一種用于配電系統(tǒng)的新型機電混合斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：雙斷口真空滅弧室負(fù)責(zé)通載額定電流，動作時電流轉(zhuǎn)移到與其并聯(lián)的背靠背大功率整流二極管，由二極管完成開關(guān)的零區(qū)過程。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以消除上述合分操作可能產(chǎn)生的暫態(tài)過程，且能保持機電開關(guān)各自的優(yōu)勢。首先分析新型機電混合斷路器的動作過程和原理并進行仿真；然后搭建實驗樣機，進行機電部分的電流轉(zhuǎn)移特性實驗。仿真及實驗的結(jié)果表明：電流轉(zhuǎn)移的時間受二極管的特性參數(shù)影響，存在飽和效應(yīng)；在本實驗條件下的轉(zhuǎn)移電流峰值達(dá)到二極管額定電流3倍時電流轉(zhuǎn)移率開始減小，達(dá)到5倍時電流轉(zhuǎn)移趨向于飽和；該文給出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在典型參數(shù)下能夠?qū)崿F(xiàn)10kA短路電流的微弧甚至無弧分?jǐn)?，斷路器的機電混合模式對電力開關(guān)的發(fā)展具有重要意義。

電流轉(zhuǎn)移 機電混合斷路器 功率二極管 無弧分?jǐn)?/p>

0 引言

傳統(tǒng)機械開關(guān)動作時存在以下暫態(tài)過程：開斷過程除了燃弧階段會燒蝕觸頭，降低開關(guān)使用壽命外，弧后階段的弧隙在介質(zhì)恢復(fù)（Dielectric Recovery, DR）過程與暫態(tài)恢復(fù)電壓（Transient Recovery Voltage, TRV）競爭的作用下容易發(fā)生重燃，降低故障開斷的成功率[1]。在關(guān)合過程中常見的觸頭彈跳與預(yù)擊穿，可能產(chǎn)生涌流和暫態(tài)過電壓，同樣威脅電力系統(tǒng)的安全。另一方面，隨著電力電子器件的發(fā)展，晶閘管投切電容器組、模塊化多電平換流器、柔性多狀態(tài)開關(guān)、零點投切等技術(shù)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域展現(xiàn)出很好的發(fā)展勢頭[2-3]。但電力電子器件存在的通態(tài)損耗及單元工作電壓偏低的問題，困擾其在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的應(yīng)用與推廣。為了結(jié)合兩種開關(guān)的優(yōu)勢，取長補短，研究人員提出了機電混合斷路器的新思路[4-5]。

在高壓直流輸電領(lǐng)域，ABB公司將電力電子器件與機械開關(guān)結(jié)合，推出混合式高壓直流斷路器[6]。文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果表明混合式直流斷路器動作時，電流可以在200ms時間內(nèi)從機械開關(guān)中可靠轉(zhuǎn)移到電力電子器件中。文獻(xiàn)[8]對混合式高壓直流斷路器的分?jǐn)噙^程進行了瞬態(tài)電磁建模，并分析了開斷過程產(chǎn)生電磁干擾的原因。

電力電子器件與機械開關(guān)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)也在交流系統(tǒng)的諸多領(lǐng)域得到探索。人們研究了應(yīng)用于混合式有載分接開關(guān)（On-Load Tap-Changer, OLTC）中的電力電子器件，得到應(yīng)用全控器件與半控器件的特點[9-10]。ABB采用電機操動機構(gòu)及插入式空氣觸頭，將數(shù)個斷口與二極管模塊化集成串聯(lián)組成混合式開關(guān)，用于投切電容器組[11]。文獻(xiàn)[12]對ABB的混合開關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域進行了研究，將其用于投切中壓系統(tǒng)中的電機起動。文獻(xiàn)[13]將ABB的技術(shù)方案應(yīng)用于電容投切以減少電容老化，證明了這種混合開關(guān)的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[14]將混合式斷路器用于投切電容器組，并進行了仿真研究，證明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠有效減小浪涌電流。文獻(xiàn)[15]在ABB的技術(shù)方案基礎(chǔ)上進行改進優(yōu)化，減少斷口數(shù)及功率二極管數(shù)。

近年來電力電子器件向更高的電壓和電流等級發(fā)展[16]。文獻(xiàn)[17]結(jié)合應(yīng)用分析了大功率電力電子器件的反向恢復(fù)特性。文獻(xiàn)[18-19]歸納了大功率二極管的物理模型參數(shù)，分析了二極管的動態(tài)特性。文獻(xiàn)[20-21]搭建了絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的試驗平臺，對IGBT的動態(tài)特性進行了測試。

但上述交流應(yīng)用場景下的混合開關(guān)大多為簡單機械斷口，電氣性能參數(shù)水平有限，多用于低載荷的變壓器有載分接開關(guān)及配電網(wǎng)無功補償電容器投切開關(guān)等占比很小的一些應(yīng)用，其控制電流和電場應(yīng)力都比較小，無法應(yīng)用于量大面廣的配電斷路器領(lǐng)域及中高壓輸電線路的大容量無功補償。

本文提出一種用于配電網(wǎng)的新型機電混合斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：雙斷口真空滅弧室負(fù)責(zé)通載額定電流，動作時無需控制單元由電弧電壓驅(qū)動即可通過大功率二極管實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)移。初步的拓?fù)浞治黾霸囼灲Y(jié)果表明：新型機電混合斷路器的零區(qū)過程由并聯(lián)二極管主導(dǎo)，真空滅弧室可以實現(xiàn)微弧甚至無弧開斷，化解了真空開關(guān)熄弧重?fù)?dān)。

1 新型機電混合斷路器的基本結(jié)構(gòu)及工作過程分析

1.1 新型機電混合斷路器的基本結(jié)構(gòu)

新型機電混合斷路器（Electro-Mechanical Hybrid Circuit Breaker, EM-HCB）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，VD1、VD2為大功率整流二極管，CB1、CB2為真空滅弧室。

圖1 新型機電混合斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新型EM-HCB的實物樣機如圖2所示。樣機選用TF-7.2/400型負(fù)荷開關(guān)用真空滅弧室。圖中每組二極管由3個額定電流1 000A的ZP型管芯串聯(lián)壓接而成。樣機的具體參數(shù)見表1。

圖2 新型機電混合式斷路器樣機

表1 新型機電混合斷路器樣機參數(shù)

1.2 新型機電混合斷路器的工作過程

新型機電混合斷路器在正常載流情況下由雙斷口真空滅弧室導(dǎo)通電流，通態(tài)損耗可以忽略不計，分合閘操作時故障電流轉(zhuǎn)入與滅弧室并聯(lián)的大功率整流二極管，由二極管主導(dǎo)開關(guān)的零區(qū)過程，實現(xiàn)機械開關(guān)的無電弧動作、無電流動作、無弧后DR與TRV競爭等無暫態(tài)動作。分合閘過程如圖3所示。

1.2.1 分閘操作

當(dāng)雙斷口在同一半波動作時，如圖3a的曲線所示，＜0為HCB正常合閘狀態(tài)，參照圖1，系統(tǒng)電流流經(jīng)CB1和CB2，VD1與VD2處于截止?fàn)顟B(tài)。系統(tǒng)在0時刻發(fā)出分閘指令，操動機構(gòu)線圈通電勵磁，1時刻CB1和CB2同時開始動作（始動）。到2時刻CB2退完超程、觸頭分離。0～1為機構(gòu)勵磁時間，1～2為CB2的退超程時間。2時刻CB2觸頭間產(chǎn)生電弧，進入電流轉(zhuǎn)移階段即2～3。真空電弧的電壓一般為10～25V[22]，大于處于正向偏置的二極管VD2的導(dǎo)通電壓閾值，電流由CB2轉(zhuǎn)移到VD2。3時刻電流已完全轉(zhuǎn)移至VD2，CB2的電流降到零、電弧熄滅，開始介質(zhì)恢復(fù)階段，避免了系統(tǒng)電流過零后DR與TRV的競爭過程。分閘過程持續(xù)到4時刻，操動機構(gòu)運動至全行程，滅弧室達(dá)到額定開距。5時刻，系統(tǒng)電流過零、CB1中電弧熄滅，VD1導(dǎo)通，系統(tǒng)暫態(tài)電壓反向作用在VD2兩端，使之截止，完成故障開斷。CB1、CB2實現(xiàn)無DR與TRV競爭的無暫態(tài)動作過程。

圖3 機電混合斷路器動作過程

本拓?fù)涞膬蓚€真空滅弧室也可以通過選相控制實現(xiàn)異步操作：控制CB2在正半波動作，CB1在接下來的負(fù)半波動作。分?jǐn)鄷rCB2利用電弧電壓驅(qū)動電流轉(zhuǎn)移至VD2，可以實現(xiàn)無弧或微弧開斷，在系統(tǒng)電流過零前完成介質(zhì)恢復(fù)過程，實現(xiàn)無DR與TRV競爭的無暫態(tài)過程。CB1在負(fù)半波分?jǐn)鄷r系統(tǒng)已經(jīng)斷開，CB1實現(xiàn)無電流的無暫態(tài)動作。

1.2.2 合閘操作

合閘時，雙斷口通過調(diào)節(jié)傳動機構(gòu)可以實現(xiàn)雙斷口的異步操動，控制CB1在負(fù)半波合閘，CB2在正半波合閘。圖3b的曲線中（＜0）為HCB關(guān)合過程的初始狀態(tài)，CB1與CB2均處于分閘狀態(tài)，VD1和VD2均截止，系統(tǒng)處于開路。設(shè)0時刻控制單元給操動機構(gòu)線圈發(fā)出關(guān)合指令，經(jīng)0～1的勵磁時間，1時刻CB1和CB2同時開始動作。設(shè)CB1在電流負(fù)半波首先關(guān)合，此時電流未導(dǎo)通，CB1實現(xiàn)無電流的無暫態(tài)動作。當(dāng)電流變?yōu)檎氩〞r系統(tǒng)電流經(jīng)由CB1與VD2形成通路，回路導(dǎo)通。2時刻CB2觸頭無弧關(guān)合，實現(xiàn)無弧的無暫態(tài)動作。此時電流由VD2轉(zhuǎn)移至CB2中。到3時刻電流轉(zhuǎn)移完畢，系統(tǒng)經(jīng)CB1、CB2形成回路，VD2截止，開關(guān)完成關(guān)合過程。

綜上所述，新型機電混合斷路器可以實現(xiàn)無暫態(tài)的分合閘過程。

1.3 整流二極管特性

機電混合斷路器的電力電子開關(guān)部分采用典型的大功率整流二極管，其伏安特性如圖4所示。當(dāng)二極管處于正向偏置、外加電壓不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場對多子運動的阻礙作用時，電流近似于零。當(dāng)電壓達(dá)到閾值TO時，正向電流迅速增加，二極管完全導(dǎo)通。當(dāng)電流為F時，二極管兩端電壓為F。當(dāng)二極管處于反向偏置時，反向電流RR主要是由少子的漂移運動形成。當(dāng)反向電壓繼續(xù)增加到反向擊穿電壓B時，電流突然增加，二極管反向擊穿。

圖4 整流二極管伏安特性

現(xiàn)有大功率整流二極管單元的工作電壓水平低于配電系統(tǒng)額定電壓，需將二極管串聯(lián)成模塊使用。多管串聯(lián)的連接端面電接觸需施加足夠的安裝壓力。隨著電流增加，二極管的管壓降增加。二極管通態(tài)伏安特性曲線與二極管參數(shù)、安裝條件、工況、環(huán)境溫度等因素相關(guān)，因此二極管的選取參數(shù)須按實際情況分析。

二極管的導(dǎo)通過程為正向壓降先出現(xiàn)一個過沖電壓FP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)定電壓F，如圖5所示。這段時間稱之正向恢復(fù)時間fr，一般為ms級[19, 23]，遠(yuǎn)小于工頻電流的起始上升時間，可以忽略。

圖5 二極管導(dǎo)通特性

二極管由導(dǎo)通到截止的過程稱之關(guān)斷，須經(jīng)過一段時間才能反向阻斷電流，進入截止?fàn)顟B(tài)；這段時間稱之反向恢復(fù)時間rr，由延遲時間d=1-0與下降時間f=2-1組成。關(guān)斷之初有較大的反向電流RM出現(xiàn)，并伴隨有一定的反向電壓過沖RM。本文采用的二極管反向恢復(fù)時間rr為4.2ms。

圖6 二極管關(guān)斷特性

機電混合斷路器中大功率二極管的電流導(dǎo)通時間一般不長于一個工頻半波，可按浪涌電流特性選擇器件參數(shù)。本文樣機采用的二極管通態(tài)平均電流FR為2.4kA，由式（1）可得，正常分?jǐn)嗟恼译娏鞣逯祄為7.6kA。

2 新型機電混合斷路器實驗平臺與仿真建模

2.1 實驗平臺的搭建

為驗證機電混合斷路器的工作機理，搭建了基于振蕩回路的機電混合斷路器大電流實驗平臺，圖7為實驗平臺的電路原理。圖7中，i和i分別為振蕩回路的電容和電感，二者振蕩產(chǎn)生50Hz的工頻試驗電流。DB為投入開關(guān)，用來控制電流源放電。AB為輔助保護開關(guān)。CB1、CB2、VD1、VD2組成機電混合斷路器。LC的額定參數(shù)為：電容i=56mF；電感i=0.18mH。

圖7 實驗平臺

2.2 新型機電混合斷路器的仿真

機電混合斷路器的仿真模型是基于新型拓?fù)浼皩嶒炂脚_參數(shù)建立的，采用PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件進行仿真分析。其中，電弧電壓設(shè)為20V，單只二極管的閾值設(shè)為0.86V。分閘過程如圖8所示，設(shè)CB1與CB2在同一半波動作，CB1流過系統(tǒng)電流。CB2在5ms時刻觸頭分離開始燃弧，電流由CB2轉(zhuǎn)移至VD2，到5.78ms時刻，電流完全轉(zhuǎn)換至VD2，CB2斷口進入介質(zhì)恢復(fù)過程。10ms時刻電流過零，此時CB2已經(jīng)完成介質(zhì)恢復(fù)過程，不存在DR與TRV競爭過程，可以承受系統(tǒng)暫態(tài)恢復(fù)電壓。

圖8 機電混合斷路器分?jǐn)噙^程典型仿真曲線

圖9為傳統(tǒng)機械式開關(guān)關(guān)合10mF電容器組的過程。在5ms時刻真空滅弧室發(fā)生預(yù)擊穿關(guān)合電容器，導(dǎo)致電路出現(xiàn)高頻涌流電流，幅值達(dá)到3.0(pu)，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全。

圖9 傳統(tǒng)機械式開關(guān)合閘電容器組的仿真波形

圖10為新型機電混合式斷路器關(guān)合10mF電容器組過程的電流波形。其中由于CB1與CB2在關(guān)合后電流相同，為顯示效果，在圖10中CB1取反。在5ms前電流負(fù)半波時CB1閉合，在5ms時刻系統(tǒng)電流變?yōu)檎氩ǎ芈方?jīng)由CB1和VD2導(dǎo)通。10ms時刻CB2無弧閉合，電流轉(zhuǎn)移由VD2轉(zhuǎn)移至CB2，回路正常導(dǎo)通。新型機電混合式斷路器關(guān)合電容器組時電流幅值只有0.1(pu)，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機械式開關(guān)的關(guān)合過程。

圖10 新型機電混合斷路器合閘電容器組的仿真波形

3 樣機實驗分析

3.1 開斷過程的電流轉(zhuǎn)移

圖2所示的機電混合斷路器實驗樣機在圖7的實驗平臺上進行合分實驗，圖11為轉(zhuǎn)移電流峰值為3kA時，開斷電流轉(zhuǎn)移過程的實驗波。

圖11 典型開斷過程電流轉(zhuǎn)移曲線

可以看出，5.5ms時CB2開始退超程，但斷口間電壓達(dá)到二極管的導(dǎo)通閾值之前，二極管未導(dǎo)通。7.2ms時CB2退超程結(jié)束，動靜觸頭分離，產(chǎn)生電弧，CB2中電弧電壓超過VD2的導(dǎo)通閾值，VD2導(dǎo)通。經(jīng)400ms電流完全轉(zhuǎn)移至VD2后，CB2觸頭間電弧由于電流過零而熄滅。13.4ms時系統(tǒng)電流過零，滅弧室CB1中電流過零，電弧熄滅。二極管VD2由于電壓反向而截止，暫態(tài)恢復(fù)電壓加在CB2及VD2兩端。由于CB2熄弧后的恢復(fù)時間達(dá)5.8ms，此時介質(zhì)已完全恢復(fù)，能夠承受系統(tǒng)暫態(tài)恢復(fù)電壓，開斷成功。

圖12為開斷時電流轉(zhuǎn)移峰值達(dá)到5kA時的電流轉(zhuǎn)移實驗波形。整個電流轉(zhuǎn)移過程與圖11基本一致。不同之處在于：大電流情況下，CB2觸頭間電壓由于大電流而增大，在退超程階段就已達(dá)到二極管的導(dǎo)通閾值，使二極管VD2導(dǎo)通，由于二者電壓差值不大，前期電流轉(zhuǎn)移至二極管VD2的電流不完全，造成二極管與并聯(lián)斷口共同承擔(dān)故障電流。當(dāng)觸頭分離產(chǎn)生電弧時，電弧電壓瞬間增加，電流快速轉(zhuǎn)移至二極管VD2。由于二極管存在飽和效應(yīng)，在大電流情況下，二極管轉(zhuǎn)移電流過程達(dá)到1.6ms。

圖12 開斷5kA時的電流轉(zhuǎn)移曲線

3.2 關(guān)合過程的電流轉(zhuǎn)移

圖13為典型的關(guān)合過程電流轉(zhuǎn)移曲線。這里設(shè)負(fù)載為純阻性，即電壓與電流同相位。如圖13所示，CB1在0時刻前已經(jīng)合閘，由于電路未導(dǎo)通，CB1無電流動作。在6.7ms時刻，CB2無弧關(guān)合，電流由VD2向CB2轉(zhuǎn)移。經(jīng)500μs后，電流全部轉(zhuǎn)移至CB2，VD2截止，電流流經(jīng)CB1、CB2形成回路，電流轉(zhuǎn)移完成。9.8ms時刻CB2合閘彈跳分離，此時電流轉(zhuǎn)移至VD2，10.5ms時觸頭關(guān)合，電流轉(zhuǎn)移回CB2。關(guān)合過程中，CB2兩端電壓在未閉合前為與之并聯(lián)的二極管VD2兩端的電壓降，且無電流流過，因此CB2關(guān)合過程不會發(fā)生預(yù)擊穿，彈跳期間通過電流轉(zhuǎn)移使得電流可以平滑過渡。

圖13 典型關(guān)合過程電流轉(zhuǎn)移曲線

3.3 電流轉(zhuǎn)移過程的影響因素分析

電流轉(zhuǎn)移是機電混合斷路器的重點關(guān)注過程。定義電流轉(zhuǎn)移時間為兩種開關(guān)之間的電流從開始轉(zhuǎn)移到90%峰值所用時間；定義電流轉(zhuǎn)移率為實際轉(zhuǎn)移電流峰值與轉(zhuǎn)移時間之比。圖14為樣機條件下電流轉(zhuǎn)移時間與電流轉(zhuǎn)移峰值的實驗歸納。可以看出，隨著電流轉(zhuǎn)移峰值的增加，電流轉(zhuǎn)移時間也隨之增加。在小于3kA時，電流轉(zhuǎn)移時間小于500ms，即轉(zhuǎn)移率在6A/ms以上，當(dāng)轉(zhuǎn)移電流超過3kA后，二極管電壓隨電流增加而明顯增大，二極管達(dá)到通態(tài)峰值電壓，電流成功轉(zhuǎn)移的分散性增大，電流轉(zhuǎn)移率開始減小，且隨著轉(zhuǎn)移電流峰值的增加而不斷減小。當(dāng)電流轉(zhuǎn)移峰值達(dá)到5.5kA時，電流轉(zhuǎn)移率在3A/ms以下，轉(zhuǎn)移電流峰值曲線隨時間增加而趨于水平，表明電流轉(zhuǎn)移已經(jīng)到達(dá)了飽和值。

圖14 電流轉(zhuǎn)移時間曲線

圖15為電流轉(zhuǎn)移時間曲線與10kA正弦電流變化關(guān)系。電流轉(zhuǎn)移較慢時對應(yīng)的是工頻電流峰值附近，系統(tǒng)工頻電流瞬時值高對應(yīng)的是相對長的到達(dá)零點時間。若滅弧室在電流峰值點附近開斷，則電流轉(zhuǎn)移如圖12所示的由滅弧室和二極管共同承擔(dān)電流。而當(dāng)電流下降至小于飽和值后，由于過零前工頻電流下降率小于電流轉(zhuǎn)移率，如電流為3kA時，電流轉(zhuǎn)移需400ms，而工頻電流從3kA降到零需1ms，系統(tǒng)電流可以迅速轉(zhuǎn)移至二極管，滅弧室可以實現(xiàn)無暫態(tài)分?jǐn)?，不會出現(xiàn)CB2持續(xù)燃弧至系統(tǒng)電流過零的情況。因此在開斷小于10kA故障電流時，無論滅弧室的開斷時刻在任何相位，電流均能快速轉(zhuǎn)移至二極管，實現(xiàn)無DR與TRV競爭的無暫態(tài)分?jǐn)?。因此，二極管電流轉(zhuǎn)移率對實際分?jǐn)噙^程的影響有限，在應(yīng)用中二極管的電流參數(shù)留有一定的冗余。

圖15 轉(zhuǎn)移電流時間與工頻電流關(guān)系曲線

新型機電混合斷路器的電流轉(zhuǎn)移過程是實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵，電流轉(zhuǎn)移過程的具體參數(shù)及特性與二極管動態(tài)特性等微觀過程和參數(shù)相關(guān)，需后續(xù)深入研究探索和多學(xué)科交叉的理論支持。

4 結(jié)論

新型機電混合斷路器結(jié)合了機械式開關(guān)與電力電子器件各自的優(yōu)勢、克服二者的短板。本研究提出用于配電網(wǎng)的機電混合斷路器新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在中壓斷路器范圍內(nèi)實現(xiàn)無暫態(tài)分合閘操作。具體結(jié)論如下：

1）提出一種由雙斷口真空滅弧室并聯(lián)背靠背整流二極管組成，用于配電網(wǎng)的新型機電混合斷路器。本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)操作靈活，保留了兩種開關(guān)各自的優(yōu)點，采用二極管可以無需控制單元實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)移過程，應(yīng)用真空滅弧室可達(dá)到中壓配電斷路器等級的性能參數(shù)。

2）本文提出的新型機電混合斷路器正常工作狀態(tài)下真空滅弧室導(dǎo)通電流，通態(tài)損耗可以忽略不計；合分閘操作時電流轉(zhuǎn)移到二極管回路，零區(qū)過程由并聯(lián)二極管主導(dǎo)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的雙向無暫態(tài)分合閘操作，有效降低觸頭燒蝕、弧后DR與TRV的競爭、涌流等暫態(tài)過程，提高滅弧室的電壽命及開斷成功率。

3）新型混合斷路器的電流轉(zhuǎn)移特性與二極管參數(shù)相關(guān)，存在飽和效應(yīng)。本實驗條件下當(dāng)機電混合斷路器樣機中電流轉(zhuǎn)移峰值達(dá)到3倍額定值時電流轉(zhuǎn)移率開始減小，達(dá)到5倍額定值時電流轉(zhuǎn)移趨向于飽和。但由于較高的電流瞬時值對應(yīng)更長的過零時間，零點附近的電流下降率小于電流轉(zhuǎn)移率，因此對轉(zhuǎn)移10kA以下工頻電流的實際影響并不大，均能實現(xiàn)無暫態(tài)開斷。

[1] 李博, 包涌泉, 彭振東, 等. 基于改進型直流真空斷路器弧后暫態(tài)仿真及介質(zhì)恢復(fù)特性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(8): 1752-1760.

Li Bo, Bao Yongquan, Peng Zhendong, et al. Post-arc transient simulation and dielectric recovery analysis based on improved DC vacuum circuit breaker[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1752-1760.

[2] 袁宇波, 張宸宇, 袁曉冬, 等. 基于柔性多狀態(tài)開關(guān)的混合配電網(wǎng)能量管理策略與控制方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2021, 45(8): 60-67.

Yuan Yubo, Zhang Chenyu, Yuan Xiaodong, et al. Energy management strategy and control method of hybrid distribution network based on soft open point[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(8): 60-67.

[3] Chen Yongyang, Pan Shangzhi, Huang Meng, et al. MMC-MTDC transmission system with partially hybrid branches[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2021, 5(2): 124-132.

[4] 王燦, 杜船, 徐杰雄. 中高壓直流斷路器拓?fù)渚C述[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(9): 187-199.

Wang Can, Du Chuan, Xu Jiexiong. Review of topologies for medium- and high-voltage DC circuit breaker[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(9): 187-199.

[5] Novello L, Baldo F, Ferro A, et al. Development and testing of a 10kA hybrid mechanical–static DC circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Applied Super- conductivity, 2011, 21(6): 3621-3627.

[6] Hassanpoor A, H?fner J, Jacobson B. Technical assessment of load commutation switch in hybrid HVDC breaker[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(10): 5393-5400.

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

Wen Weijie, Huang Yulong, Lü Gang, et al. Current commutation method in hybrid DC circuit breaker[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(12): 4005- 4012.

[8] 陳龍龍, 魏曉光, 焦重慶, 等. 混合式高壓直流斷路器分?jǐn)噙^程電磁瞬態(tài)建模和測試[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(24): 5261-5271.

Chen Longlong, Wei Xiaoguang, Jiao Chongqing, et al. Electromagnetic transient modeling and test of hybrid DC circuit breaker[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(24): 5261-5271.

[9] 宋冬冬, 董彪, 李鵬程, 等. 機電混合式有載分接開關(guān)電弧電流轉(zhuǎn)移過程[J]. 高電壓技術(shù), 2020, 46(6): 2164-2174.

Song Dongdong, Dong Biao, Li Pengcheng, et al. Arc current transfer process in hybrid electromechanical on load tap-changer[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(6): 2164-2174.

[10] 梁貴書, 晏闊, 高飛, 等. 變壓器混合式有載分接開關(guān)熄弧方法的仿真及試驗研究[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(10): 3156-3163.

Liang Guishu, Yan Kuo, Gao Fei, et al. Study on simulation and experiments of method of extinction hybrid on-load tap changer in transformers[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(10): 3156-3163.

[11] Backman M, Dahlgren M, Halén S, et al. A diode based transient free capacitor switch[C]//19th Inter- national Conference and Exhibition on Electricity Distribution, Vienna, Austria, 2007: 0665.

[12] Padimiti D S, Christian M B, Jarvinen J. Effective transient-free capacitor switching (TFCS) for large motor starting on MV systems[J]. 2017 Petroleum and Chemical Industry Technical Conference (PCIC), Calgary, AB, Canada, 2017: 113-124.

[13] Ragaini E, Viaro F, Montanari G C, et al. Reduction of capacitor aging by the use of transient-free diode- based synchronous switch[C]//2017 IEEE Inter- national Conference on Environment and Electrical Engineering and 2017 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe, Milan, Italy, 2017: 1-6.

[14] 李先敏, 方春恩, 李威, 等. 基于功率二極管的混合式中高壓開關(guān)免暫態(tài)投切電容器組研究[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2014(24): 71-77.

Li Xianmin, Fang Chunen, Li Wei, et al. Research on diode based transient free capacitor hybrid middle- high voltage switch[J]. Electrical & Energy Manage- ment Technology, 2014(24): 71-77.

[15] 董克前. 基于DSP的混合式無功補償開關(guān)的研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2018.

[16] 劉國友, 黃建偉, 覃榮震, 等. 高壓大電流(4500V/ 600A)IGBT芯片研制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(4): 810-819.

Liu Guoyou, Huang Jianwei, Qin Rongzhen, et al. Development of large size IGBT chip with high power capacity of 4500V/600A[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(4): 810-819.

[17] Rahimo M T, Shammas N Y A. Reverse recovery failure modes in modern fast recovery diodes[C]// 2000 22nd International Conference on Microelectro- nics, Proceedings (Cat. No.00TH8400), Nis, Yugoslavia, 2000: 659-662.

[18] 方春恩, 李威, 李先敏, 等. PIN型功率二極管動態(tài)特性物理模型參數(shù)提取[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(6): 208-215.

Fang Chunen, Li Wei, Li Xianmin, et al. PIN power diode dynamic behavior and physics-based model parameter extraction method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(6): 208-215.

[19] 方春恩, 呂柔睿, 張彼德, 等. SiC肖特基二極管的物理模型參數(shù)提取[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2017, 42(6): 441-447.

Fang Chunen, Lü Rourui, Zhang Bide, et al. Para- meters extraction for a physics-based SiC Schottky diode model[J]. Semiconductor Technology, 2017, 42(6): 441-447.

[20] 鄧二平, 應(yīng)曉亮, 張傳云, 等. 新型通用混合型直流斷路器用IGBT測試平臺及測試分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(2): 300-309.

Deng Erping, Ying Xiaoliang, Zhang Chuanyun, et al. Novel general-purpose IGBT test platform for hybrid DC circuit breakers and analysis[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 300- 309.

[21] 彭程, 李學(xué)寶, 張冠柔, 等. 壓接型IGBT芯片動態(tài)特性實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(12): 2471-2481.

Peng Cheng, Li Xuebao, Zhang Guanrou, et al. Design and implementation of an experimental platform for dynamic characteristics of press-pack IGBT chip[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2471-2481.

[22] 王季梅. 真空開關(guān)技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008.

[23] 魯洪, 彭振東. 混合斷路器中串聯(lián)功率二極管反向恢復(fù)暫態(tài)過程研究[J]. 船電技術(shù), 2013, 33(3): 61-64.

Lu Hong, Peng Zhendong. Study on the reverse recovery transient of series power diodes in a hybrid circuit breaker[J]. Marine Electric & Electronic Engineering, 2013, 33(3): 61-64.

Analysis on Novel Electro-Mechanical Hybrid Circuit Breaker and Its Current Commutation Process

11,211

（1. School of Electrical Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China 2. Computer Basic Experimental Teaching Center Dalian University of Technology Dalian 116024 China）

In order to reduce the influence of transient process caused by the action process of the traditional mechanical circuit breaker, such as contact ablation, the competition between transient recovery voltage (TRV) and dielectric recovery (DR) process, and closing inrush current, this paper proposes a new type of electro-mechanical hybrid circuit breaker (EM-HCB) topology for the distribution system. In the topology, the double-break interrupters were responsible for carrying the rated current. During the action process, the current was commutated to the back-to-back high-power rectifier diodes in parallel, and the diodes completed the current zero-crossing process of the circuit breaker. This topology can eliminate the transient process that may be generated by the above closing and opening operations and maintain the advantages of mechanical and electrical switches. Firstly, the theoretical model and simulation of this topology were carried out to describe the action process of the novel EM-HCB. Then the experimental prototype was built to carry out current commutation characteristic experiments of the electro-mechanical part. The simulation and experimental results show that the time of the current commutation is affected by the characteristic parameters of the diode, and there is a saturation effect of the current commutation rate. When the peak value of the commutation current reaches three times the rated current of the diode, the current commutation rate begins to decrease. When it reaches five times, the current commutation tends to be saturated. The proposed topology can realize micro arc or non-arc breaking of 10kA short-circuit current under typical parameters. The electro-mechanical hybrid mode of the circuit breaker is of great significance to developing power switches.

Current commutation, electro-mechanical hybrid circuit breaker (EM-HCB), high power diode, non-arc breaking

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211547

TM561

國家自然科學(xué)基金資助項目（52077025）。

2021-9-29

2021-11-09

郭興宇 男，1989年生，博士研究生，研究方向為機電混合斷路器及運動特性。E-mail: guoxy2014@mail.dlut.edu.cn

黃智慧 男，1982年生，工程師，碩士生導(dǎo)師，研究方向為智能電器、無線電能傳輸、限流技術(shù)等。E-mail: huangzhihui@dlut.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）