新型強(qiáng)迫換流型真空直流限流斷路器研究

余躍聽(tīng)，黃青梅，江壯賢

(1. 海軍駐武漢719所軍事代表室，武漢 430064；2. 92730部隊(duì)裝備部，三亞 572016；3. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引言

真空斷路器由于具有耐壓能力高、在電流過(guò)零點(diǎn)介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度快、燃弧能量低、安全和免維護(hù)等特點(diǎn)在交流系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。近年來(lái)真空開(kāi)關(guān)逐步向直流系統(tǒng)發(fā)展，如直流輸配電、輕軌、地鐵及艦艇等場(chǎng)合也越來(lái)越多的采用真空直流開(kāi)關(guān)[4-10]。為了將交流真空開(kāi)關(guān)應(yīng)用于直流系統(tǒng)，最常用的辦法是采用強(qiáng)迫換流的方法使真空開(kāi)關(guān)中的直流電流強(qiáng)制過(guò)零，利用真空開(kāi)關(guān)在電流過(guò)零點(diǎn)極強(qiáng)的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)能力來(lái)形成絕緣介質(zhì)間隙，分?jǐn)嚯娏鱗11,12]。

圖1所示為真空直流開(kāi)關(guān)的一種原理結(jié)構(gòu)圖，它的工作過(guò)程如下：正常工作時(shí)主回路電流is從真空開(kāi)關(guān)VB上流過(guò)；當(dāng)需要分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)，首先打開(kāi)真空開(kāi)關(guān) VB，真空電弧出現(xiàn)；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的燃弧后真空開(kāi)關(guān)形成足夠的觸頭開(kāi)距，此時(shí)導(dǎo)通關(guān)斷回路晶閘管TH，預(yù)先充電的電容C通過(guò)電感L對(duì)真空開(kāi)關(guān)放電，形成與主回路電流方向相反的脈沖電流ic，使真空開(kāi)關(guān)中的電流逐漸的減小直至形成電流過(guò)零點(diǎn)。真空電弧電流過(guò)零之前由于電弧電壓的鉗位作用二極管D無(wú)法開(kāi)通，直到電弧熄后反向脈沖電流才從二極管流過(guò)，為真空滅弧室提供零電壓的介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間，更加有利于真空開(kāi)關(guān)成功分?jǐn)唷?/p>

圖1 真空直流開(kāi)關(guān)原理結(jié)構(gòu)圖

采用強(qiáng)迫換流原理的真空直流斷路器為了分?jǐn)喔呱仙实亩搪冯娏鳎笳婵臻_(kāi)關(guān)不僅機(jī)械延時(shí)短而且觸頭初期運(yùn)動(dòng)速度快，以盡快形成足夠的觸頭開(kāi)距。開(kāi)距形成時(shí)間越短，關(guān)斷電流就可越早發(fā)出，短路電流對(duì)真空觸頭的燒損越小，而且關(guān)斷時(shí)刻越早，短路電流越小，所需的關(guān)斷電流峰值也越小，不僅可以減小關(guān)斷電路體積，而且有利于降低電流過(guò)零點(diǎn)的di/dt，這對(duì)于真空介質(zhì)的強(qiáng)度的恢復(fù)意義重大。

與真空開(kāi)關(guān)一樣，關(guān)斷電路的導(dǎo)通開(kāi)關(guān)也必須動(dòng)作速度快，由于斷路器正常工作時(shí)關(guān)斷電路導(dǎo)通開(kāi)關(guān)無(wú)需通流，因此一般的功率晶閘管便可滿足要求。若斷路器的電壓等級(jí)過(guò)高或所需的關(guān)斷電流上升率過(guò)大時(shí)可采用真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，本文采用具有較快導(dǎo)通 di/dt的快速晶閘管作用關(guān)斷電路的快速導(dǎo)通開(kāi)關(guān)。

在斷路器關(guān)斷短路電流時(shí)，線路電感中存儲(chǔ)的能量將使斷路器兩端出現(xiàn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)電壓的過(guò)電壓，若不加以限制將會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備和斷路器的器件造成損壞。因此斷路器兩端并聯(lián)了壓敏電阻以限制關(guān)斷過(guò)電壓。

本文將對(duì)基于強(qiáng)迫換流原理的真空直流限流斷路器進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究，對(duì)斷路器的限流分?jǐn)噙^(guò)程進(jìn)行分析。

1 高速真空開(kāi)關(guān)

為了滿足限流斷路器對(duì)真空開(kāi)關(guān)的要求，本文設(shè)計(jì)了基于電磁斥力機(jī)構(gòu)的高速真空開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的不同工作過(guò)程如下：

1）合閘狀態(tài)：真空開(kāi)關(guān)合閘狀態(tài)的觸頭壓力由壓力彈簧和真空滅弧室的自閉力產(chǎn)生，以保證真空開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的低阻特性。

2）分閘：分閘時(shí)預(yù)先充電的脈沖放電電路對(duì)斥力線圈放電在斥力金屬盤(pán)中感應(yīng)出與斥力線圈電流方向相反的渦流，依靠斥力盤(pán)與斥力線圈間產(chǎn)生的電磁斥力推動(dòng)斥力盤(pán)帶動(dòng)動(dòng)觸頭快速分離，電磁斥力機(jī)構(gòu)的原理圖如圖3(a)所示，觸頭運(yùn)動(dòng)到一定開(kāi)距后，鎖扣彈簧（圖中未畫(huà)出）帶動(dòng)鎖扣桿將觸頭動(dòng)固定于分閘位置。

3）合閘：當(dāng)故障解除后需要合閘時(shí)，通過(guò)對(duì)脫扣電磁鐵（圖中未畫(huà)出）通電，電磁鐵克服鎖扣彈簧的拉力使機(jī)構(gòu)脫扣，動(dòng)觸頭在滅弧室自閉力及壓力彈簧的作用下合閘。

圖2 高速真空開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

圖3（b）所示為電磁斥力機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特性，斥力電容C容量100 μF，充電1.5 kV。由圖可知斥力線圈電流峰值5 kA，峰值時(shí)間約50 μs，所產(chǎn)生的電磁斥力峰值約40 kN，加速過(guò)程結(jié)束后動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度可達(dá) 2 m/s，后期測(cè)試表明該觸頭機(jī)構(gòu)的機(jī)械延時(shí)為 75 μs。

圖3 電磁斥力機(jī)構(gòu)

2 脈沖電容試驗(yàn)電路

本文采用脈沖電容器放電回路試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要組成如圖4所示。脈沖電容放電系統(tǒng)的原理是，把若干個(gè)電容器經(jīng)串并聯(lián)后組成電容器組C1，放電試驗(yàn)前首先對(duì)C1充電，儲(chǔ)存能量，然后經(jīng)電感和限流斷路器放電，產(chǎn)生一定頻率的放電電流，以在短時(shí)間內(nèi)獲得相當(dāng)于實(shí)際系統(tǒng)短路電流的放電電流供限流斷路器開(kāi)斷能力試驗(yàn)使用。

脈沖電容放電系統(tǒng)可分為充電回路和放電試驗(yàn)回路兩部分，先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K2，閉合開(kāi)關(guān)K1，將電容器組C1充電至電壓U1，然后斷開(kāi)K1使充電電路停止工作。在確定被試限流斷路器處于閉合狀態(tài)情況下，給放電回路的晶閘管F觸發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，C1開(kāi)始放電過(guò)程，限流斷路器按照控制程序進(jìn)行限流分?jǐn)啵墒静ㄆ饔涗涬娏鞑ㄐ蝘和限流斷路器兩端電壓u。試驗(yàn)完成后，閉合開(kāi)關(guān)K2可以將電容C1的剩余能量釋放掉。

圖4 脈沖電容放電系統(tǒng)

通過(guò)適當(dāng)選擇電容值C1、充電電壓U1和電感值L1，即可得到模擬實(shí)際系統(tǒng)短路所需要的放電電流波形。本文試驗(yàn)中電容C1的取值主要有5 mF、10 mF、30 mF和190 mF，電感L1的取值主要有15 μH、20 μH、25 μH、30 μH、60 μH 和 100 μH，通過(guò)搭配不同的電容和電感取值來(lái)模擬不同的短路電流波形。采用脈沖電容放電系統(tǒng)代替實(shí)際直流電源系統(tǒng)的等效性應(yīng)滿足以下三個(gè)方面要求：

1）電流特性相同：電容放電電流波形與實(shí)際短路電流波形在上升段一致，即電流到達(dá)峰值前的上升率di/dt與實(shí)際系統(tǒng)相同；

2）能量特性相同：限流過(guò)程中電容釋放出的能量與實(shí)際系統(tǒng)一致，即在限流斷路器中MOV開(kāi)始限壓吸能時(shí)電感上儲(chǔ)存的能量應(yīng)一致；

3）電壓特性相同：限流結(jié)束后，電容C1剩余電壓應(yīng)等于或高于實(shí)際系統(tǒng)電壓。

3 關(guān)斷過(guò)程仿真分析

為了更好理解限流斷路器的分?jǐn)噙^(guò)程，采用EMTP仿真軟件建立斷路器及試驗(yàn)系統(tǒng)的仿真模型。仿真中所用參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)一致，如表1所示，其中負(fù)載電阻依據(jù)關(guān)斷試驗(yàn)項(xiàng)目的不同選擇不同阻值。

1）短路關(guān)斷仿真

短路關(guān)斷時(shí)負(fù)載電阻為5.5 mΩ。斷路器的控制策略為：當(dāng)短路電流到達(dá)1 kA時(shí)延時(shí)20 μs再檢測(cè)，若電流仍大于1 kA則認(rèn)為發(fā)生短路故障，確定故障后給高速真空開(kāi)關(guān)發(fā)動(dòng)作信號(hào)，使真空滅弧室動(dòng)、靜觸頭分離，高速真空開(kāi)關(guān)機(jī)械延時(shí)約75 μs；高速真空開(kāi)關(guān)動(dòng)作信號(hào)發(fā)出100 μs后導(dǎo)通關(guān)斷電路晶閘管，開(kāi)始強(qiáng)迫換流關(guān)斷過(guò)程。

表1 試驗(yàn)及仿真參數(shù)

短路仿真結(jié)果如圖5所示，短路發(fā)生后主回路電流以5.5 A/μs的速度上升，t0=292 μs時(shí)真空滅弧室觸頭分離，t1=317 μs時(shí)關(guān)斷電路發(fā)出關(guān)斷電流，此時(shí)真空滅弧室電弧電流達(dá)到最大值 1.78 kA。隨著關(guān)斷電流的上升，真空滅弧室電流不斷下降并在380 μs時(shí)下降到零，真空電弧熄滅。t2時(shí)刻開(kāi)始，續(xù)流二極管導(dǎo)通，真空滅弧室處于零電壓的介質(zhì)恢復(fù)階段，直至t3=422 μs時(shí)二極管截止，主回路電流轉(zhuǎn)移至關(guān)斷回路，零電壓恢復(fù)階段結(jié)束，二極管電流峰值405 A，零電壓時(shí)間tr=t3-t2=42 μs。t3時(shí)刻以后主回路電流向關(guān)斷電容充電，此時(shí)斷路器兩端電壓等于關(guān)斷電容電壓，并隨著充電的過(guò)程電壓不斷提高，并在t4=475 μs時(shí)刻電壓達(dá)到壓敏電壓動(dòng)作的閾值，壓敏電阻開(kāi)始導(dǎo)通。壓敏電阻起作用后，關(guān)斷回路電流向壓敏電阻支路轉(zhuǎn)移，t5=530 μs時(shí)關(guān)斷回路電流完全轉(zhuǎn)移至壓敏電阻支路，關(guān)斷電容充電電壓及斷路器兩端電壓達(dá)到最大值2 kV。電流完全切斷發(fā)生在t5=1130 μs時(shí)刻，關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷晶閘管承受反向電壓為關(guān)斷電容與斷路器兩端電壓之差，最大值1 kV，關(guān)斷后斷路器兩端電壓等于電回路電容剩余電壓約1.08 kV。

圖5 短路關(guān)斷仿真結(jié)果

2）額定電流關(guān)斷仿真

400 A額定電流關(guān)斷時(shí)負(fù)載電阻取2.6 Ω，斷路器的控制策略為：當(dāng)短路電流到達(dá)300 A時(shí)，延時(shí)200 μs后給高速真空開(kāi)關(guān)發(fā)動(dòng)作信號(hào)，使真空滅弧室動(dòng)、靜觸頭分離；高速真空開(kāi)關(guān)動(dòng)作信號(hào)發(fā)出425 μs后導(dǎo)通關(guān)斷電路晶閘管，開(kāi)始強(qiáng)迫換流關(guān)斷過(guò)程，與短路關(guān)斷相比額定關(guān)斷時(shí)由于滅弧室的燃弧電流只有400 A，且保持恒定不變，因而從斥力信號(hào)發(fā)出至關(guān)斷信號(hào)發(fā)出采取了較長(zhǎng)延時(shí)策略，目的是使真空滅弧室運(yùn)動(dòng)到足夠大的開(kāi)距，避免關(guān)斷回路電流向續(xù)流二極管支路轉(zhuǎn)移時(shí)感應(yīng)的電壓使滅弧室反向擊穿重燃。

額定電流關(guān)斷仿真結(jié)果如圖6所示，與短路關(guān)斷相似額定關(guān)斷也存在滅弧室電流向關(guān)斷電路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，由于主回路電流比短路時(shí)相比要小得多因而滅弧室電流過(guò)程后向續(xù)流二極管轉(zhuǎn)移的電流要大得多，這種情況下續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)間 102.3 μs，電流峰值2.2 kA。由于回路能量較小，關(guān)斷電容充電壓未達(dá)到壓敏電阻保護(hù)電壓閾值，因而關(guān)斷過(guò)程中壓敏電阻未開(kāi)通，不存在向壓敏電阻的換流的階段，續(xù)流二極管截止后斷路器兩端電壓等于關(guān)斷電容電壓，關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷晶閘管不承受反向電壓。關(guān)斷后斷路器兩端電壓等于電回路電容剩余電壓約1.09 kV。

圖6 額定關(guān)斷仿真結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖7和圖8分別為1 kV/400 A限流斷路器樣機(jī)短路電流分?jǐn)嗪皖~定電流分?jǐn)嗟脑囼?yàn)結(jié)果，為了方便比較將各自的仿真結(jié)果也在圖中表示出來(lái)，結(jié)果表明仿真與試驗(yàn)具有較高的一致性。

短路電流分?jǐn)嘟Y(jié)果中，初始電流上升率為 5.5 A/μs的短路電流被限流到2.5 kA以下，電流到達(dá)峰值時(shí)間530 μs，完整的限流分?jǐn)鄷r(shí)間1.35 ms，斷路器兩端過(guò)電壓小于2 kV，短路關(guān)斷試驗(yàn)和額定電流關(guān)斷試驗(yàn)結(jié)束后主回路電容電壓大于1kV，滿足等效試驗(yàn)要求。

圖7 短路關(guān)斷仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖8 額定關(guān)斷仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文對(duì)強(qiáng)迫換流型限流斷路器的限流分?jǐn)噙^(guò)程進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)研究，仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。分析了限流斷路器的短路與額定關(guān)斷過(guò)程，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)在真空開(kāi)關(guān)兩端反向并聯(lián)續(xù)流二極管，使真空開(kāi)關(guān)電弧電流過(guò)零后獲得零電壓介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間，有利于真空介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)和電流的關(guān)斷。

2）短路關(guān)斷時(shí)，主回路對(duì)關(guān)斷電容充電使斷路器兩端出現(xiàn)大于系統(tǒng)電容的過(guò)電壓，可以通過(guò)并聯(lián)壓敏電阻來(lái)限制過(guò)高的過(guò)電壓。

3）關(guān)斷過(guò)程中關(guān)斷晶閘管承受反向電壓為關(guān)斷電容與斷路器兩端電壓之差，壓敏電阻不起作用時(shí)，關(guān)斷晶閘管關(guān)斷過(guò)程不承受反壓。

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