混合式斷路器自然換流過程分析研究

沙新樂，彭振東，李 博，任志剛

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混合式斷路器自然換流過程分析研究

沙新樂，彭振東，李 博，任志剛

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)直流電力系統(tǒng)中快速上升的短路電流在混合式斷路器中轉(zhuǎn)移困難的問題，開展了混合式斷路器自然換流過程影響因素的分析研究。通過搭建仿真模型對(duì)短路電流在高dd時(shí)的轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行仿真分析，得出了電流轉(zhuǎn)移時(shí)間與轉(zhuǎn)移電流峰值、晶閘管組件的閾值電壓和通態(tài)電阻的關(guān)系曲線。最后通過樣機(jī)進(jìn)行短路試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真分析的合理性，并對(duì)晶閘管組件中串聯(lián)元件數(shù)目不同，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間仿真值與試驗(yàn)值出現(xiàn)的差異做出了解釋。

混合式斷路器 換流 晶閘管 串聯(lián)

0 引言

目前，軌道交通牽引系統(tǒng)、柔性直流輸電系統(tǒng)、艦船綜合電力系統(tǒng)等均采用直流供電。隨著電力系統(tǒng)容量的增加以及電壓等級(jí)的提高，短路故障發(fā)生后，電流變化率極高（超過20 A/μs），電流峰值可達(dá)150 kA，直流斷路器成為對(duì)系統(tǒng)保護(hù)必不可少的設(shè)備。混合式斷路器綜合了機(jī)械開關(guān)和半導(dǎo)體開關(guān)優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性，成為直流保護(hù)中較為有效的技術(shù)方案。

混合式斷路器通常由真空開關(guān)（或機(jī)械開關(guān)）、固態(tài)開關(guān)、換流電容以及限壓耗能裝置組成。系統(tǒng)正常工作時(shí)，電流全部從真空開關(guān)流過；短路故障發(fā)生后，真空開關(guān)斷開，同時(shí)觸發(fā)固態(tài)開關(guān)，短路電流從真空開關(guān)轉(zhuǎn)移到固態(tài)開關(guān)。在短路電流快速上升過程中，真空開關(guān)中的電流能否迅速轉(zhuǎn)移到固態(tài)開關(guān)是決定短路分?jǐn)喑蓴〉年P(guān)鍵。混合式斷路器中采用電磁斥力開關(guān)作為真空弧室動(dòng)觸頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如果驅(qū)動(dòng)電容電壓過低，將會(huì)造成斷路器從收到分?jǐn)嗝畹綄?shí)際開始分?jǐn)嗟难舆t時(shí)間?d增加。在電流快速上升過程中，隨著?d增加，轉(zhuǎn)移電流峰值也增加。而驅(qū)動(dòng)電壓過高又會(huì)降低斷路器的機(jī)械壽命；受限于單個(gè)半導(dǎo)體元件的耐壓水平，采用半導(dǎo)體元件串聯(lián)是研制中、高壓型混合式斷路器的必然要求。但隨著固態(tài)開關(guān)組件中串聯(lián)元件數(shù)目的增多，組件的閾值電壓和通態(tài)電阻也相應(yīng)增加。這些因素均會(huì)對(duì)自然換流過程產(chǎn)生影響。

國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)自然換流過程進(jìn)行了分析研究，文獻(xiàn)[1]通過仿真分析得出，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間與真空開關(guān)弧壓、支路雜散電感有關(guān)，但并沒有明確具體的影響關(guān)系且缺少相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證；文獻(xiàn)[2]中經(jīng)過一系列簡化處理，推導(dǎo)出了電流轉(zhuǎn)移時(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，但分析過程中將固態(tài)開關(guān)通態(tài)壓降看做恒定值，勢(shì)必導(dǎo)致較大的誤差；文獻(xiàn)[3]只對(duì)恒定電流轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行了分析，不涉及高d/d工況下的電流轉(zhuǎn)移過程分析；文獻(xiàn)[4]簡單介紹了工程中減小電流轉(zhuǎn)移時(shí)間的措施，未進(jìn)行任何理論分析。

針對(duì)上述問題，本文在8 kV/5 kA混合式斷路器樣機(jī)的基礎(chǔ)上，利用PACAD/EMTDC構(gòu)建了混合式斷路器自然換流過程的仿真模型。仿真結(jié)合試驗(yàn)，分析了轉(zhuǎn)移電流峰值、晶閘管組件的閾值電壓和通態(tài)電阻對(duì)電流轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響，所得結(jié)論對(duì)混合式斷路器的斥力開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓的選取、晶閘管元件選型等具有指導(dǎo)意義。

1 混合式斷路器基本原理

混合式斷路器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，包括：

1）真空開關(guān)S1構(gòu)成的主開關(guān)支路；

2）晶閘管組件T1構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)移支路；

3）晶閘管組件T2、電容C1、電感L1構(gòu)成的強(qiáng)迫關(guān)斷支路；

4）壓敏電阻MOV構(gòu)成的耗能支路；

混合式斷路器的工作過程如下，主要包括四個(gè)階段：

1）系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)：真空開關(guān)S1閉合，主開關(guān)支路承擔(dān)負(fù)載電流；

2）自然換流過程：系統(tǒng)發(fā)生短路故障，短路電流迅速上升，真空開關(guān)S1斷開，同時(shí)觸發(fā)晶閘管組件T1，使其在弧壓作用下導(dǎo)通，短路電流轉(zhuǎn)移到電流轉(zhuǎn)移支路；

3）強(qiáng)迫換流過程：觸發(fā)晶閘管組件T2，C1、L1、T1回路導(dǎo)通，產(chǎn)生電流c迫使晶閘管組件T1中的電流下降到零，短路電流轉(zhuǎn)移到強(qiáng)迫關(guān)斷支路；

4）耗能限壓過程：電容器C1開始反向充電，當(dāng)真空開關(guān)S1兩端電壓上升到壓敏電阻MOV開通電壓時(shí)，壓敏電阻開通，短路電流轉(zhuǎn)移到耗能支路。

2 自然換流過程理論分析

自然換流過程等效電路如圖2所示，其中1為真空開關(guān)電弧電壓，s1為主開關(guān)支路雜散電感；2為晶閘管組件T1的閾值電壓，2為晶閘管組件T1的通態(tài)電阻；s2為電流轉(zhuǎn)移支路雜散電感。

圖2 自然換流過程等效電路

根據(jù)基爾霍夫定律，得到自然換流過程中的微分方程組如式（1）所示：

其中，表示系統(tǒng)短路電流，0表示短路電流開始轉(zhuǎn)移時(shí)刻，0表示該時(shí)刻的電流值，即轉(zhuǎn)移電流峰值。由式(1)可以看出影響電流轉(zhuǎn)移時(shí)間?的因素包括：，1、s1，s2，0，2和2。

利用電橋測(cè)得8 kV/5 kA混合式斷路器樣機(jī)中支路雜散電感s1=0.13 μH，s2=0.5 μH（組件T1中僅有一個(gè)晶閘管元件）。圖3給出了樣機(jī)中真空開關(guān)S1在分?jǐn)?5.5 kA電流過程中弧壓特性曲線，并據(jù)此擬合其弧壓特性表達(dá)式見式（2）。

據(jù)此，當(dāng)直流電力系統(tǒng)短路電流確定的情況下，該樣機(jī)中影響電流轉(zhuǎn)移時(shí)間?的因素為：0、2和2。

圖3 真空電弧特性曲線

3 自然換流過程仿真分析與驗(yàn)證

樣機(jī)驅(qū)動(dòng)電容1 mF，實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓與斷路器延遲時(shí)間?d的關(guān)系如表1所示，可以看出，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的升高，斷路器延遲時(shí)間?d逐漸減小并趨于飽和。

表1 不同驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)斷路器延遲時(shí)間?t

實(shí)際電力系統(tǒng)的短路故障可以用圖4所示LC振蕩回路電流上升的過程來模擬，其中脈沖電容0=36 mF，調(diào)波電感0=55 μH，線路電阻0=10 mΩ。脈沖電容0充電2300 V，通過真空觸發(fā)開關(guān)TVS來控制回路導(dǎo)通。

圖4 故障電流分?jǐn)鄿y(cè)試電路

3.1 自然換流過程仿真分析

在PSCAD/EMTDC中搭建混合式斷路器的仿真模型，利用圖4所示測(cè)試電路進(jìn)行仿真分析。模型中以真空觸發(fā)開關(guān)TVS的觸發(fā)脈沖與晶閘管組件T1的觸發(fā)脈沖的時(shí)間間隔來模擬斷路器的延遲時(shí)間?d。通過改變晶閘管組件T1的觸發(fā)時(shí)刻來改變?d，從而改變轉(zhuǎn)移電流峰值0。不同0與電流轉(zhuǎn)移時(shí)間?的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)移電流峰值i0與?t的關(guān)系曲線

可以看出，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間?隨著轉(zhuǎn)移電流峰值0增加而增加。但0由12 kA增大到19 kA時(shí)，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間?僅增大了200 μs?？紤]到過高的驅(qū)動(dòng)電壓并不會(huì)大幅降低轉(zhuǎn)移電流峰值0且還會(huì)嚴(yán)重降低斷路器的機(jī)械壽命，因此，可在一定范圍內(nèi)降低斥力開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓以增加斷路器的使用壽命。

令?d=360 μs，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)移電流峰值0=14 kA，當(dāng)晶閘管組件閾值電壓以及通態(tài)電阻不同時(shí)，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

圖6 不同通態(tài)電阻時(shí)，通態(tài)壓降與?t的關(guān)系曲線

可以看出，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間?隨著晶閘管組件的閾值電壓增加而增加，隨著晶閘管組件通態(tài)電阻的增加而迅速增加。因此實(shí)際元件選型中，通態(tài)電阻是首先要考慮的因素。

3.2 自然換流過程試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析所得結(jié)論的正確性，利用斷路器樣機(jī)進(jìn)行短路試驗(yàn)。當(dāng)?d分別取240 μs、360 μs和500 μs時(shí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)移電流峰值0分別為10.5 kA、14 kA和19 kA。實(shí)測(cè)真空開關(guān)S1中電流波形如圖7所示。

圖7 i0不同時(shí)，真空開關(guān)S1中的電流波形

轉(zhuǎn)移電流峰值0不同時(shí)，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間仿真值與試驗(yàn)值如表2所示，可以看出，仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

表2 轉(zhuǎn)移電流峰值i0不同時(shí)，仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

樣機(jī)中的晶閘管組件T1由湖北臺(tái)基Y100KKM4000-48型快速晶閘管元件串聯(lián)組成，單個(gè)晶閘管元件閾值電壓T=1.58 V，通態(tài)電阻T=0.16 mΩ。當(dāng)晶閘管組件T1中分別采用1個(gè)晶閘管元件、2個(gè)晶閘管元件串聯(lián)、3個(gè)晶閘管元件串聯(lián)，在d=360 μs時(shí)觸發(fā)晶閘管組件T1，分別測(cè)得真空開關(guān)S1中電流波形如圖8所示。

圖8 串聯(lián)元件數(shù)目不同時(shí)，真空開關(guān)中的電流波形

晶閘管組件中串聯(lián)元件數(shù)目不同時(shí)，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間仿真值與試驗(yàn)值如表3所示。可以看出，仿真值與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)基本一致，但隨著晶閘管組件中串聯(lián)元件數(shù)目的增多，實(shí)驗(yàn)值略高于仿真值。分析認(rèn)為，前文中利用電橋測(cè)量的雜散電感s2為晶閘管組件T1中僅包含一個(gè)元件時(shí)的值，而隨著組件中串聯(lián)元件數(shù)目的增多，支路雜散電感s2也有所增加，導(dǎo)致實(shí)際電流轉(zhuǎn)移時(shí)間增加。

表3 串聯(lián)元件數(shù)目不同時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比

4 結(jié)論

文中通過搭建仿真模型，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分析了自然換流過程中轉(zhuǎn)移電流峰值0，晶閘管組件閾值電壓以及通態(tài)電阻對(duì)電流轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響，得出結(jié)論如下：

1）電流轉(zhuǎn)移時(shí)間隨著轉(zhuǎn)移電流峰0、晶閘管組件的閾值電壓以及通態(tài)電阻的增大而增大；

2）相比于轉(zhuǎn)移電流峰0和晶閘管組件的閾值電壓，晶閘管組件的通態(tài)電阻對(duì)電流轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響要更加明顯；

3）隨著晶閘管組件中串聯(lián)元件數(shù)目增多，支路雜散電感也相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致電流轉(zhuǎn)移時(shí)間增加。

[1] 駱文平, 朱兆芳, 任志剛. 一種混合式直流斷路器設(shè)計(jì)方法[J]. 船電技術(shù), 2018, 38(7): 6-8.

[2] 王晨, 莊勁武, 張曉鋒, 江壯賢, 楊鋒, 戴超. 混合型限流斷路器在高短路電流上升率時(shí)換流試驗(yàn)分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009, 33(16): 65-70.

[3] Roodenburg B, Taffone A, Gilardi E, et al. Combined ZVS--ZCS topology for high-current direct current hybrid switches: design aspects and first measurements[J]. Electric Power Applications Iet, 2007, 1(2): 183-192.

[4] 陳名, 黎小林, 許樹楷等. 基于零電壓零電流的混合式直流斷路器[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2015, 9(3): 10-14.

[5] 王晨, 張曉鋒, 莊勁武等. 新型混合式限流斷路器設(shè)計(jì)及其可靠性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2008, 32(12): 61-67.

Analysis and Research on the Process of Natural Commutation in the Hybrid Circuit Breaker

Sha Xinle, Peng Zhendong, Li Bo, Ren Zhigang

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

A

TM721

1003-4862（2019）02-037-04

2018-09-12

沙新樂（1991-），男，碩士研究生。研究方向：艦船電力電子應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail: www.shaxinle@qq.com