一種混合式直流斷路器設(shè)計(jì)方法

駱文平，朱兆芳，任志剛

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一種混合式直流斷路器設(shè)計(jì)方法

駱文平，朱兆芳，任志剛

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)一種典型的混合式直流斷路器，本文提出了優(yōu)先進(jìn)行“零電流換流過(guò)程設(shè)計(jì)”，隨后進(jìn)行“零電壓換流過(guò)程設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)方法。以8 kV/4kA的混合式直流斷路器為例，針對(duì)預(yù)期短路電流160 kA且短路時(shí)間常數(shù)為7 ms的工況，基于該方法成功實(shí)現(xiàn)了短路分?jǐn)鄷r(shí)間不超過(guò)1.8 ms且分?jǐn)喾逯惦娏鞑怀^(guò)40 kA的設(shè)計(jì)指標(biāo)。該方法對(duì)混合式直流斷路器的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

混合式直流斷路器 零電壓換流 零電流換流

0 引言

隨著直流電力系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，直流斷路器作為直流電力系統(tǒng)的關(guān)鍵保護(hù)設(shè)備，也逐漸成為了電器領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-3]。無(wú)論艦船動(dòng)力領(lǐng)域、軌道交通領(lǐng)域，還是高壓直流輸電領(lǐng)域、直流配電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)的配電網(wǎng)領(lǐng)域，直流斷路器的研制無(wú)不具備重要意義?？諝馐街绷鲾嗦菲鞅M管技術(shù)成熟，但分?jǐn)鄷r(shí)間長(zhǎng)、電壽命低，難于滿足中高壓、大容量直流系統(tǒng)的快速限流保護(hù)需求?；旌鲜綌嗦菲骼梅聪螂娏髯⑷肫仁闺娏魅斯み^(guò)零，短路分?jǐn)嗨俣瓤?，成為中高壓直流斷路器研制的重要方向。為此，?guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的拓?fù)?，諸如典型的ACICB結(jié)構(gòu)，以及基于橋式轉(zhuǎn)移電路的雙向分?jǐn)嘣O(shè)計(jì)等。然而，闡述各種混合型斷路器設(shè)計(jì)方法的報(bào)道并不多見，基于此，本文針對(duì)一種典型的混合式斷路器進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在提供一種設(shè)計(jì)方法。

1 直流斷路器拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

圖1所示為一種典型的混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，所述斷路器主要包含真空機(jī)械開關(guān)S、零電壓換流晶閘管T1、壓敏電阻MOV以及由扼流電感L、反向脈沖電容C、大功率脈沖晶閘T2管構(gòu)成的零電流換流支路。

圖2所示為該直流斷路器典型的分?jǐn)噙^(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)，真空開關(guān)S閉合形成電流通路。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)，真空開關(guān)S分?jǐn)?，在真空開關(guān)弧壓作用下，主回路電流由真空開關(guān)S向晶閘管T1轉(zhuǎn)移，該過(guò)程晶閘管的管壓降由真空電弧弧壓決定，一般為幾十伏左右，因此該段過(guò)程也稱為“零電壓換流過(guò)程”。之后一段時(shí)間，真空開關(guān)在近乎零電壓條件下實(shí)現(xiàn)弧后介質(zhì)恢復(fù)。當(dāng)真空開關(guān)充分零休后，反向脈沖電容C通過(guò)晶閘管T2放電，迫使主回路電流由晶閘管T1支路向電容C支路轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)所謂的“零電流換流過(guò)程”。在這一階段，LC支路工作于振蕩狀態(tài)，電容C經(jīng)歷了反向放電再充電的過(guò)程，當(dāng)電容充電電壓達(dá)到壓敏電阻的開通電壓后，壓敏電阻開通，主回路電流迅速由電容支路轉(zhuǎn)移到壓敏電阻支路，由壓敏電阻吸收掉系統(tǒng)殘余感性能量，實(shí)現(xiàn)故障電路的分?jǐn)?，同時(shí)也限制了系統(tǒng)的過(guò)電壓。顯然，電容C需要預(yù)充電，為了不增加額外的電源設(shè)備，電容C可以直接由系統(tǒng)電壓供電，即充電電壓為系統(tǒng)電壓8 kV。

圖1 直流斷路器拓?fù)?/p>

2 基本設(shè)計(jì)方法

該混合式直流斷路器主要包括零電壓換流與零電流換流兩個(gè)主要過(guò)程。零電壓換流過(guò)程實(shí)現(xiàn)的是主回路電流由真空開關(guān)向晶閘管T1轉(zhuǎn)移的過(guò)程，其換流時(shí)間的長(zhǎng)短是決定該混合式斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間的關(guān)鍵因素之一。然而這一過(guò)程受真空開關(guān)支路雜散電感、真空開關(guān)弧壓、換流晶閘管T1支路電感、晶閘管開通電壓及斜率電阻等眾多不確定因素的影響，使設(shè)計(jì)較為困難。零電流換流過(guò)程盡管發(fā)生于零電壓換流過(guò)程之后，但這一過(guò)程的持續(xù)時(shí)間通常主要受反向脈沖電容C與扼流電感L的影響，電氣參數(shù)相對(duì)更容易確定?；谶@一考慮，通常率先設(shè)計(jì)零電流換流回路，所重點(diǎn)關(guān)心的指標(biāo)主要是分?jǐn)喾逯惦娏骷捌湎鄳?yīng)的分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間；之后，進(jìn)行零電壓換流回路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考核的則是該換流過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，顯然該換流過(guò)程應(yīng)在零電流換流過(guò)程之前結(jié)束。

3 零電流換流過(guò)程設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，短路電流通?？梢员磉_(dá)如下：

本文針對(duì)系統(tǒng)額定電流為4kA，短路預(yù)期電流為160kA，時(shí)間常數(shù)為7ms的工況進(jìn)行零電流換流過(guò)程設(shè)計(jì)，并要求系統(tǒng)實(shí)際分?jǐn)嗟姆逯惦娏鞑怀^(guò)40kA，峰值電流對(duì)應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1.8ms.顯然，換流回路反向脈沖電容參數(shù)應(yīng)由系統(tǒng)電壓與實(shí)際分?jǐn)嚯娏鞴餐瑳Q定，其所儲(chǔ)存的能量應(yīng)能可靠實(shí)現(xiàn)晶閘管T1支路電流的轉(zhuǎn)移并能提供足夠時(shí)間的反壓促使晶閘管T1可靠關(guān)斷，該工況下取電容的容值為250 μF，充電電壓為8 kV，扼流電感取為8 μH。

雖然系統(tǒng)電流達(dá)到40 kA所用時(shí)間要稍高于1.8 ms，但考慮到反向脈沖回路的自然振蕩，在1.2 ms到1.75 ms之間調(diào)節(jié)晶閘管T2的觸發(fā)時(shí)刻，系統(tǒng)短路峰值電流及分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間與觸發(fā)時(shí)刻的關(guān)系如圖3所示。隨著晶閘管T2觸發(fā)時(shí)刻的推遲，系統(tǒng)短路分?jǐn)喾逯惦娏鞒掷m(xù)上升，斷路器分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間也逐漸增加，為使得短路分?jǐn)喾逯惦娏鞑怀^(guò)40 kA且斷路器分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間不超過(guò)1.8 ms，晶閘管T2的觸發(fā)時(shí)刻不應(yīng)超過(guò)1680 μs，考慮一定的安全裕量，晶閘管T2觸發(fā)時(shí)刻實(shí)際上不超過(guò)1.6 ms.

圖3 斷路器分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間、峰值電流與晶閘管觸發(fā)時(shí)刻的關(guān)系

4 零電壓換流過(guò)程設(shè)計(jì)

零電壓換流過(guò)程應(yīng)該在零電流換流過(guò)程前結(jié)束，而零電壓換流過(guò)程受包括真空開關(guān)弧壓、脈沖大功率晶閘管伏安特性以及兩個(gè)元件所在支路各自的電感等多重因素的共同影響，既與器件自身特性有關(guān)，又與斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

圖4所示為真空開關(guān)弧壓為恒定值20 V時(shí)，零電壓換流過(guò)程持續(xù)時(shí)間與晶閘管T1支路電感及真空開關(guān)支路電感LS之間的關(guān)系。顯然，隨著晶閘管T1支路電感或真空開關(guān)支路電感的增加，零電壓換流過(guò)程持續(xù)的時(shí)間均會(huì)增加，直至該換流過(guò)程進(jìn)入轉(zhuǎn)移失敗區(qū)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)電流由真空開關(guān)完全轉(zhuǎn)移至晶閘管T1支路，導(dǎo)致系統(tǒng)短路分?jǐn)嗍　４送?，就成功?shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)移而言，晶閘管T1支路電感值越大，真空開關(guān)支路所允許的電感值將會(huì)越小。就本文而言，要求零電壓換流過(guò)程結(jié)束時(shí)間不超過(guò)1.6 ms，在該種情況下，真空開關(guān)支路電感與晶閘管T1支路電感表現(xiàn)出較大的交叉范圍。

圖4 零電壓換流時(shí)間與各支路電感關(guān)系（弧壓20 V）

圖5所示為真空開關(guān)弧壓為恒定值30V時(shí)，零電壓換流過(guò)程持續(xù)時(shí)間與晶閘管T1支路電感及真空開關(guān)支路電感LS之間的關(guān)系。相對(duì)圖4而言，弧壓的增加顯著提高了電流由真空開關(guān)支路向晶閘管T1支路轉(zhuǎn)移的能力。在圖示真空開關(guān)支路電感不超過(guò)0.5 μH，晶閘管T1支路電感不超過(guò)0.4 μH的區(qū)域，不存在電流轉(zhuǎn)移失敗區(qū)。就零電壓換流過(guò)程結(jié)束時(shí)間不超過(guò)1.6 ms的要求而言，晶閘管T1支路電感與真空開關(guān)支路電感Ls的交叉影響區(qū)域也顯著減小，兩支路電感可供選擇的取值范圍明顯擴(kuò)大。

圖5 零電壓換流時(shí)間與各支路電感關(guān)系（弧壓30 V）

5 結(jié)論

本文針對(duì)一種典型的基于“零電壓換流”與“零電流換流”相結(jié)合混合式直流斷路器，提出了優(yōu)先進(jìn)行“零電流換流過(guò)程設(shè)計(jì)”，然后再進(jìn)行“零電壓換流過(guò)程設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)方法?；诖朔椒?，成功實(shí)現(xiàn)了分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間不超過(guò)1.8 ms，分?jǐn)喾逯惦娏鞑怀^(guò)40 kA的某型8 kV/4 kA混合式直流斷路器的設(shè)計(jì)。這說(shuō)明，本文提出的設(shè)計(jì)方法是行之有效的。

[1] 榮命哲, 楊飛, 吳翊, 等. 綜述：直流斷路器電弧研究的新進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(3)：35-43.

[2] 馬釗. 直流斷路器的研究現(xiàn)狀及展望[J].智能電網(wǎng)，2013, 1(1)：13-16.

[3] Shen Z, Miao Z, Roshandeh A. Solid State circuit breakers for DC micrgrids：current status and future trends[C]. Proceedings of the First International Conference on DC Microgrids. Atlanta, USA: IEEE, 2015: 228-233.

Design Method of Mixed DC Circuit Breaker

Luo Wenping, Zhu Zhaofang, Ren Zhigang

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

TM561

A

1003-4862（2018）07-0006-03

2018-03-15

駱文平(1989-)，男，碩士。研究方向：混合式直流斷路器設(shè)計(jì)、分析。