熔丝型混合式直流限流开关的分析与设计

1 引 言

随着直流供电系统的功率急剧增加，其设计和研制中都面临着许多全新的问题。其中一个技术瓶颈就是，如何使短路电流被限制在保护设备的极限通断能力之内。

目前,国际上现有的解决方法，主要是加装限流装置(Fault Current Limiter, FCL)。有两种常用的解决方案[1]：传统机械开关导通稳定、带负载能力强，但是响应速度慢、带电弧、稳定性和可控性差；而固态限流开关响应速度快、无电弧，但是通态损耗大、耐压水平低、不能完全开断电路而且给电网带来了严重的谐波污染。混合型限流技术充分利用了两种开关的优点并通过合理动作配合的设计来克服其缺点，它能够随时检测系统故障电流状态并控制开关的分断，又可以及时响应控制信号，是名副其实的智能化保护设备，也是限流开关发展的方向。混合式限流开关从功能实现上又主要分为两种：零电流型 (ZCS)和零电压型 (ZVS)开关[2]。

本文在分析和比较了ZCS和ZVS型开关的原理和特点基础上，提出了一种简单可行的零电压型混合式限流方案。

2 ZVS和ZCS型开关的比较

假设开关动作时电弧电压为vsw，开关电流为isw，电弧产生时间为tarc，则开关动作时电弧能量为：

(1)

ZVS和ZCS开关两种方案都降低了电弧的能量。ZCS开关依靠产生零电流，ZVS开关依靠产生零电压，两种方法又都减少了电弧存在的时间。两种方案都是通过给机械开关布置了一条并联的电路来实现。两种方案的原理如图1所示。

图1 混合式开关原理图

ZCS开关是通过并联支路在开关动作时释放一个与主电流反方向的电流脉冲，从而实现机械开关动作时的零电流；而ZVS开关方式采用了一条并联的换流电路，机械开关断开时电流换流至并联支路同时保证开关两端电压很低，从而实现了开关动作时的零电压。

在混合式开关的设计过程当中我们选择了ZVS开关形式。ZCS开关之所以没有被选择是因为其需要大量的谐振元件和外部电源。ZVS开关形式的另外一个优势就是在机械开关闭合的过程当中可以避免触头拉弧，这是因为在开关接通时并联支路提供了一条的换流电路。ZVS开关的不足就是需要一些无弧电流关断器件，如电力电子器件等。

3 拓扑结构

图2所示是文献[2]、[3]中提出的ZVS型混合式开关的基本拓扑结构，它主要包括3条并联的支路：电磁斥力式机械开关为通流支路，而固态开关和能量吸收器件并联组成了二次换流支路。

图2 ZVS型混合式开关拓扑结构

整个开关过程中3条并联支路中的电流波形依次如图3所示。它的工作过程是：电网正常运行时，机械斥力开关闭合，固态开关关断，额定负载电流通过机械开关，不会产生显著损耗；当电网短路故障时，控制机械开关分断，固态开关导通，短路电流换流到固态开关支路，随后控制固态开关关断，电流又快速转移到并联的能量吸收支路，达到快速限制短路电流的目的，同时抑制了系统的过压。采用两次支路换流，是因为开关电弧电压较低，直接由电弧电流向限流电阻转移较为困难。

图3 ZVS型混合式开关3条支路电流波形

在这种ZVS混合式限流开关的设计中主要有3点关键技术：电磁斥力式机械开关的设计、固态开关支路的设计以及能量吸收器件的选择。机械式斥力开关的设计将在下文做详细介绍。能量吸收器件现阶段通常使用MOV(金属氧化物变阻器)或PTC(正温度系数热敏电阻)。固态开关支路则通常采用IGBT和IGCT等电力电子器件组成[4，5]。由于电网短路功率的急剧增加，为了解决固态开关耐流耐压的问题，通常采用多个电力电子器件串并联来实现，这种方法实践证明既复杂可靠性又低。为了有效解决这个矛盾，本文提出了一种新的ZVS开关的拓扑结构如图4所示。

图4 新型ZVS型混合式开关拓扑结构

这种方案中用快速熔断器代替了传统结构中的固态开关支路和能量吸收支路。这里使用的快速熔断器是专为电力电子器件过流保护设计的，具有通态电阻小，弧前能量低等特点，它的额定电流远小于电网系统额定电流，这些都保证了短路电流从机械式斥力开关换流到快熔支路后能够在极短的时间内将快熔熔断，从而达到迅速限制短路电流的目的。

4 高速电磁斥力开关设计

混合式限流技术的关键技术是动作以数百微秒记的快速操动机构，根据现有技术，采用电磁斥力开关[6，7]可以满足这种快速动作的要求。

电磁斥力开关的工作原理如图5所示。其中，1为驱动线圈(驱动盘)，2为运动铜盘(动盘)。当K闭合，由于回路电感很小，使线圈1中产生巨大的电流脉冲和电容放电脉冲，线圈1产生的磁场匝穿越铝盘2，在铝盘中感应出电流，这个感应电流所产生的磁场与线圈产生的磁场方向相反，线圈1与铝盘之间立即产生斥力F，使铜盘向上迅速运动。放电时脉冲电流的增长速度di/dt越大，铝盘中产生的感应电流也就越大，斥力越大。而当电流不变化时，则斥力为0。

图5 电磁斥力开关的原理

电磁斥力开关的分析和设计由于涉及到电路、电磁感应、电磁力、机械运动等多个动态方程，非常复杂，当前多用有限元法分析。试验电路如图6所示。图中T为升压变压器，二极管D1为线圈提供续流电路，变压器通过D2向电容C充电，通过晶闸管G的导通时间来控制电容器C的放电。经过实验阶段的不断测试和改进,斥力线圈采用了印刷电路板形式，这种形式主要有两方面的好处：一是通过线圈与铝盘之间小距离减小线圈与动盘之间的互感；二是可以在最小互感的基础上达到完全绝缘的目的。采用这种方式在实验室的测试过程当中取得了较为明显的效果。另外动盘在安装时使用弹簧提供给开关触头一个适当的预紧压力，从而保证触头接触良好。

图6 电磁斥力开关的试验电路

图7是试验中使用的电磁斥力开关分别在无弹簧和100 N预紧弹簧力作用下对驱动线圈放电，测得了驱动电流和触头电压波形。试验中电磁斥力开关串联在一个电池与电阻的串联回路中。图中，从上至下依次为驱动电流波形、100 N预紧弹簧力作用时触头电压波形、无弹簧时触头电压波形。可见，触头分断时刻几乎不受弹力大小的影响，但触头过电压的大小却随着弹力的增大而增大。试验中各电路、机械运动参数如表1所示。

图7 不同反力时的触头电压波形

表1电磁斥力开关主要参数

放电电容/mF0．98电容初始电压/V1000动盘质量/kg0．75驱动电流峰值/A9000动盘加速度峰值/g5000动盘运动平均速度/m·s-15触头分断时间/μs70

4 实验研究

图8所示是按照文中提出的ZVS混合式开关拓扑结构制作的实验样机。样机开关的额定容量为640 V/2 500 A，样机中使用的快速熔断器的额定电流为250 A，通态电阻为0.49 mΩ。

图8 实验样机外形图

短路实验电路如图9所示。通过降压变压器将上万伏高压降压后通过整流桥M得到640 V模拟电网电压。实验时通过控制高压侧开关K时间长度为55 ms的导通时间来模拟直流电网短路状态。模拟电网的短路预期电流峰值为100 kA，短路电流时间常数为4.17 ms。

图9 短路实验电路图

短路实验结果示波图如图10所示。从实验结果可知，短路电流峰值被限制在9.87 kA，从短路到电流峰值的时间为0.54 ms。从短路到快速熔断器开始建立弧压的时间约为150 μs，此时可以认为电磁斥力机构支路上的电流已经完全换流到快速熔断器上，快速熔断器燃弧弧压峰值为1.37 kV。从开始短路到短路电流被截止整个过程的时间为1.17 ms。

图10 短路实验示波图

实验表明，该ZVS型混合式限流开关对于直流电网短路故障能达到快速准确限流的要求。

5 结束语

通过分析比较ZVS和ZCS型混合式开关的原理和特性，给出了一种新型的ZVS混合式直流限流开关方案和电路拓扑结构。分析了其设计结构，并说明了其工作的各物理过程，对混合式开关的关键技术：超快速电磁斥力机构的设计进行了分析。 实际研制出640 V/2 500 A的限流开关器样机，完成了模拟直流电网突然短路限流实验，实际限流结果证明所设计限流开关动作快速准确，能有效抑制短路电流。

[1] 梅军，郑建勇，胡敏强,等.基于IGBT软关断的混合式限流断路器结构与分析[J].电力系统自动化,2004,28(18):59-62.

[2] POLMAN H, FERREIRA J A, KAANDERS M, et al. Design of a bi-directional 600 V/6 kA ZVS hybrid DC switch using IGBTs[C]. Industry Applications Conference. Thirty-Sixth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2001 IEEE,2001.

[3] GELDER P，FERREIRA J A．Zero volt switching hybrid DC circuit breakers[C]．IEEE IAS conference, 2000.

[4] STEURER M，FEROHLICH K，HOLAUS W，et al．A novel hybrid current-limmiting circuit breaker for medium Voltage．Principle and Test Results．IEEE Trans on Power Delivery，2003．

[5] HOLAUS W，FROHLICH K．Ultra-fast switches-a new element for medium votage fault current limiting switchgear[C]．Power Engineering Society Winter Meeting：IEEE，2002．

[6] BASU S, et al. Electromagnetic force on a metal disk in an alternating magnetic field[J]. IEEE Trans. Power Apparatus and systems,1969. PAS-88(8):1281-1285.

[7] JUNGBLUT R, SITTIG R. Hybrid high-speed DC circuit breaker using a charge-storage diode[C]. 1998 Industrial and Commercial power systems technical conference,1998.