基于PSCAD／EMTDC的10 k V混合式固態(tài)斷路器的仿真研究

渠博崗，易映萍

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093）

0 引 言

目前的輸配電領(lǐng)域中，機(jī)械式斷路器的應(yīng)用依舊非常廣泛。而機(jī)械式開關(guān)在通斷過程中，往往會有涌流和電弧，容易對開關(guān)的觸點(diǎn)造成燒蝕。在發(fā)生短路等事故時，動、靜觸頭分離產(chǎn)生的電弧也影響了常規(guī)開關(guān)的動作時間和動作速度，很容易因短路故障造成電網(wǎng)電壓的中斷和跌落，使得事故擴(kuò)大。隨著可控硅的不斷發(fā)展，固態(tài)斷路器應(yīng)運(yùn)而生，固態(tài)斷路器的原理是通過檢測電壓過零與電流過零來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通與關(guān)斷。因此完全避免了開通涌流和關(guān)斷電弧的產(chǎn)生，且通斷時間的數(shù)量級一般在毫秒至微秒級，因此能滿足故障保護(hù)對開關(guān)速動性能的要求。然而由于可控硅在導(dǎo)通時存在壓降，導(dǎo)致在大電流通過可控硅時損耗增加與負(fù)載能力的下降，為避免熱擊穿需要強(qiáng)迫散熱，且可控硅對電壓變化率較為敏感。

基于此，本文提出了一種混合式固態(tài)斷路器，即將電子開關(guān)與機(jī)械式斷路器并聯(lián)，既可以發(fā)揮機(jī)械斷路器運(yùn)行功耗小的優(yōu)點(diǎn)，免去了笨重的冷卻裝置，又可以實(shí)現(xiàn)可控硅開關(guān)過零快速投切的功能，把二者結(jié)合起來的關(guān)鍵是機(jī)械斷路器與電子開關(guān)開斷時序的配合。機(jī)械式斷路器在開通和關(guān)斷時刻配合電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)開通關(guān)斷無涌流、無電弧。當(dāng)機(jī)械斷路器接通后電子開關(guān)就立即關(guān)斷，機(jī)械斷路器負(fù)責(zé)接通負(fù)載后的長時間運(yùn)行［1］。

1 10 kV混合式固態(tài)開關(guān)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 10 k V混合式固態(tài)開關(guān)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

10 k V混合式固態(tài)斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由機(jī)械式開關(guān)和電子開關(guān)并聯(lián)。機(jī)械開關(guān)PS作為正常工作時的電流通道，由6組反并聯(lián)晶閘管組成的電子開關(guān)部分只負(fù)責(zé)機(jī)械式斷路器通斷切換時的動態(tài)換流。在需要對負(fù)載供電時，機(jī)械式斷路器合閘信號與電子開關(guān)導(dǎo)通信號同時發(fā)出，由于機(jī)械式斷路器有導(dǎo)通延時，故電子開關(guān)先導(dǎo)通來建立電流。隨后機(jī)械式斷路器導(dǎo)通，由于機(jī)械式斷路器阻抗遠(yuǎn)小于電子開關(guān)，所以電子開關(guān)被旁路，檢測裝置檢測到機(jī)械式斷路器導(dǎo)通后封鎖電子開關(guān)驅(qū)動脈沖，合閘過程完成；分閘過程利用自然換流原理。當(dāng)發(fā)生短路等故障需要切除電源時，機(jī)械式斷路器分閘信號與電子開關(guān)關(guān)斷信號同時發(fā)出，由于機(jī)械式斷路器分閘的延時，電子開關(guān)兩端電壓為零。隨后當(dāng)機(jī)械式斷路器分閘，主觸點(diǎn)兩端產(chǎn)生的電弧過電壓使電子開關(guān)導(dǎo)通，電流轉(zhuǎn)移到電子開關(guān)上，檢測裝置檢測到機(jī)械式斷路器分閘后立即封鎖電子開關(guān)驅(qū)動脈沖，分閘過程完成。

1.2 10 kV混合式固態(tài)開關(guān)工作原理

混合式固態(tài)開關(guān)合閘時，電子開關(guān)與機(jī)械式斷路器同時啟動，由于電子開關(guān)的導(dǎo)通無需延時，而機(jī)械式斷路器需要約50 ms的啟動延時，回路中的電流首先流過電子開關(guān)，電流建立過程如圖2（a）所示。機(jī)械式斷路器閉合后，電子開關(guān)被旁路，電流從機(jī)械式斷路器中流過，如圖2（b）所示，此時斷開電子開關(guān)，完成合閘動作。這種先電子開關(guān)后機(jī)械式斷路器的啟動方式保證了混合式固態(tài)開關(guān)在合閘時的快速性。

圖3 混合型固態(tài)開關(guān)的關(guān)斷過程

2 基于PSCAD／EMTDC的晶閘管串聯(lián)電路仿真研究

PSCAD／EMTDC是研究電力設(shè)備和電力網(wǎng)絡(luò)暫態(tài)行為的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仿真工具，以FORTRAN程序語言為內(nèi)核計(jì)算，由EMTDC電磁暫態(tài)模擬程序進(jìn)行計(jì)算，最后由PSCAD完成圖形化界面。本文基于PSCAD／EMTDC仿真軟件，采用面向?qū)ο蟮慕７椒▽旌鲜焦虘B(tài)斷路器進(jìn)行了建模與仿真［3］。

2.1 不同類型負(fù)載下晶閘管觸發(fā)方式的仿真

晶閘管采用同步觸發(fā)信號，觸發(fā)電路模型如圖4所示，該模型下反并聯(lián)的兩只晶閘管觸發(fā)角度相差180°。在交流電壓過零時產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖，當(dāng)電源電壓波形由負(fù)變?yōu)檎龝r，正向晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通、當(dāng)電源電壓波形由正變?yōu)樨?fù)時，反向晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈寬為2 ms。晶閘管觸發(fā)脈沖與交流電源相位如圖5所示。

圖2 混合型固態(tài)開關(guān)的開通過程

混合式固態(tài)開關(guān)分閘時，電子開關(guān)關(guān)斷信號與機(jī)械式斷路器分閘信號同時發(fā)出，由于機(jī)械式斷路器分閘存在延時，在機(jī)械式斷路器動靜觸頭分離的瞬間，其兩端的反電勢使得電子開關(guān)導(dǎo)通，電流從電子開關(guān)流過，旁路斷路器處于空載分閘狀態(tài)，如圖3（a）所示，這就避免了負(fù)載電流過大產(chǎn)生關(guān)斷電流燒蝕金屬觸頭，如圖3（b）所示。機(jī)械式斷路器關(guān)斷后，電子開關(guān)在下一個電流過零點(diǎn)自然關(guān)斷，分閘過程完成，如圖3（c）所示［2］。

圖4 晶閘管觸發(fā)電路模型

圖5 晶閘管觸發(fā)脈沖與交流電源相位關(guān)系

2.2 晶閘管阻容保護(hù)回路的仿真

雖然目前已經(jīng)研制出8 000 A／12 k V的晶閘管，但其造價(jià)太高，還未普及。所以為了得到適用于高電壓的電力電子設(shè)備，仍需要將電力電子器件串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。由于器件特性的分散性，電力電子器件串聯(lián)會存在靜態(tài)不均壓、動態(tài)不均壓及因觸發(fā)或?qū)ú灰恢露纬呻妷簺_擊等問題。

為了確定靜態(tài)均壓電阻Rp的值，假設(shè)N個串聯(lián)晶閘管中第i個晶閘管阻斷，其余的全部導(dǎo)通，則第i個晶閘管兩端分得的電壓最大，為Um。同時，其余的晶閘管均擁有最小的斷態(tài)電阻Roff（min），即此時流過其余晶閘管的漏電流最大且相同，設(shè)為Ib。根據(jù)電路原理，可以得到方程：

設(shè)：

將式（2）代入式（1），得：

式中，Um為串聯(lián)晶閘管中需承受最大關(guān)斷電壓值的管端電壓，通常取為晶閘管可重復(fù)關(guān)斷電壓URRM的一半；ΔU為串聯(lián)晶閘管中最大管端電壓與最小管端電壓之間的差值；n為百分比系數(shù)，通常取為10，即ΔU＝10%Um，則有：

即靜態(tài)均壓電阻一般取為串聯(lián)晶閘管最小斷態(tài)電阻值的二十分之一。

晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率d u／d t標(biāo)明了晶閘管在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。若電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的臨界值，則晶閘管會在無門極信號的情況下開通，而且在實(shí)際情況中，串聯(lián)的晶閘管無法保證同時導(dǎo)通，所以后導(dǎo)通的晶閘管會承受短時間的高壓，形成電壓沖擊。為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運(yùn)行，常在晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。

從最極端的情況來考慮，假設(shè)N個串聯(lián)晶閘管中第i個晶閘管的反向恢復(fù)電荷值Qrri最小，其余N-1個晶閘管均擁有相同且最大的反向恢復(fù)電荷Qrr（max）。則第i個晶閘管與其余N-1個晶閘管反向恢復(fù)電荷的差值為ΔQrr＝Qrr（max）－Qrri。顯然，在晶閘管閥組關(guān)斷時，晶閘管i需要額外承擔(dān)電壓為：

則，緩沖電容的容值為：

動態(tài)均壓電阻的計(jì)算，可由如下公式獲得：

式中，Lc為換相電感；KRI為比例系數(shù)，一般取1.5～

2.5 ；N為每閥中晶閘管數(shù)量；C為阻尼電容。

10 kV混合式固態(tài)開關(guān)晶閘管串聯(lián)電路主回路的仿真模型如圖6，仿真用晶閘管選用優(yōu)派克（EUPEC）的T1503型晶閘管，查閱其手冊，計(jì)算得靜態(tài)均壓電阻Rp選取0.625 kΩ。RC選取為R＝8.6～14.4Ω，C＝2.6μF

圖6 晶閘管串聯(lián)電路主回路

圖7 分別為晶閘管兩端加裝RC吸收網(wǎng)絡(luò)和不加裝RC吸收網(wǎng)絡(luò)的仿真波形，為了使得效果明顯，將圖1所示串聯(lián)的晶閘管VT11～VT15與晶閘管VT16導(dǎo)通時間差改為500μs，晶閘管兩端波形如圖7。由圖7（b）可以看出，加裝RC吸收網(wǎng)絡(luò)后，晶閘管兩端的過電壓得到了控制，沖擊電壓幅值由1.9 k V降到了1.27 k V，說明選擇的RC參數(shù)有效地限制了晶閘管兩端過電壓［4，6］。

圖7 晶閘管兩端電壓波形

3 動作特性仿真與分析

3.1 混合式固態(tài)斷路器主回路

圖8為混合式固態(tài)斷路器主回路，交流電源選取10 k V／50 Hz，晶閘管驅(qū)動脈沖在交流電壓過零時發(fā)出，脈寬為2 ms，UVT1、UVT2分別表示晶閘管 VT11、VT21兩端電壓，UBRK表示機(jī)械式斷路器兩端電壓，I1、I2、I3分別表示機(jī)械式斷路器電流、正向晶閘管電流、反向晶閘管電流。仿真條件設(shè)置如下：晶閘管觸發(fā)為理想狀態(tài)，即正向或反向晶閘管都同時導(dǎo)通，單只晶閘管通態(tài)電阻為0.01Ω，斷路器合閘后電阻為0.005Ω。

圖8 混合式固態(tài)斷路器自然換流主回路

3.2 合閘過程仿真與分析

合閘電路構(gòu)成如圖9所示。該電路實(shí)現(xiàn)相電壓Ua的過零檢測與比較，并輸出方波來作為晶閘管的驅(qū)動脈沖。當(dāng)合閘指令發(fā)出后，晶閘管閥組導(dǎo)通指令和機(jī)械式斷路器合閘指令同時發(fā)出，若該時刻相電壓Ua未過零，則過零檢測電路通過檢測相電壓Ua的方向來選擇輸出正向或負(fù)向晶閘管閥組驅(qū)動脈沖，由于機(jī)械式斷路器導(dǎo)通有一定的延時，所以該方向晶閘管閥組導(dǎo)通，導(dǎo)通電流建立。隨后機(jī)械式斷路器合閘，晶閘管閥組被旁路且晶閘管驅(qū)動脈沖被封鎖，合閘過程完成［7］。

圖9 合閘電路

如圖10所示，U a為相電壓波形，G1、G2為晶閘管觸發(fā)脈沖，BRK為斷路器動作信號。當(dāng)合閘指令發(fā)出后，合閘信號Enable變成高電平，此時電源電壓Ua處于正半周，故正向晶閘管驅(qū)動信號G1輸出一個脈寬為2 ms的觸發(fā)脈沖，正向晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載兩端電壓Ud出現(xiàn)且和電源電壓Ua相位、大小都相同。且導(dǎo)通電流建立，隨后機(jī)械式斷路器合閘，晶閘管閥組被旁路，合閘過程執(zhí)行完成。

圖10 合閘過程波形

3.3 分閘過程仿真與分析

分閘電路構(gòu)成如圖11所示。利用自然換流原理，當(dāng)需要切除電源時，機(jī)械式斷路器分閘指令和晶閘管觸發(fā)脈沖同時發(fā)出。機(jī)械式斷路器分閘時，主觸點(diǎn)兩端產(chǎn)生電弧電壓，該電壓使晶閘管閥組導(dǎo)通，這樣負(fù)載電流就從機(jī)械式斷路器轉(zhuǎn)移到了晶閘管閥組，從而實(shí)現(xiàn)了分閘無電弧。

圖11 分閘電路

如圖12所示，Ia為相電壓波形，G1、G2為晶閘管觸發(fā)脈沖，BRK為斷路器動作信號。當(dāng)分閘指令發(fā)出后，分閘信號Disenable變成高電平且分閘信號BRK也發(fā)出，此時相電流Ia處于負(fù)半周，故負(fù)向晶閘管驅(qū)動信號G2輸出一個脈寬為2 ms的觸發(fā)脈沖，由于機(jī)械式斷路器分閘后兩端存在電弧反電勢，所以負(fù)向晶閘管導(dǎo)通，電流轉(zhuǎn)移到負(fù)向晶閘管，當(dāng)負(fù)向晶閘管電流過零后，分閘過程完成，此過程實(shí)現(xiàn)了分閘無電弧。

圖12 分閘過程波形

4 結(jié) 論

本文利用PSCAD／EMTDC仿真軟件，對混合式

固態(tài)斷路器進(jìn)行了模型的建立，并通過仿真分析了晶閘管觸發(fā)方式、晶閘管阻容保護(hù)回路以及混合式固態(tài)開關(guān)的動作特性，為混合式固態(tài)斷路器的設(shè)計(jì)提供了仿真研究的基礎(chǔ)。

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