4 kV/400 A真空直流断路器设计

杨 成，徐国顺，江壮贤

(海军工程大学电气工程学院，武汉 430033)

0 引言

4000 V/400 A等级直流断路器可以用在船舶直流电力系统中，作为负荷开关使用，起到额定投切的作用。在这个电压电流等级上，真空开关具有体积小、价格低、寿命长、可靠性高等优点。基于真空灭弧室强迫换流关断原理的真空直流断路器具有通态损耗小、分断能力强、触头烧损小、电气寿命长、体积小、价格低等优点，是近年来直流断路器的一个新的发展方向。正常工作时，主回路电流从真空开关流过，当需要分断时，真空开关首先打开至额定开距，之后脉冲强迫关断回路发出一个与主回路电流方向相反的反向关断脉冲电流，迫使真空开关中的电流迅速减小过零，电流一旦过零，电弧便很快被熄灭，由于真空灭弧室在电流过零点具有极强的介质强度恢复能力，电弧不再重燃[1-2]。

1 组成及原理

图1 直流真空断路器组成

1.1 组成

图1所示为直流系统及强迫换流型真空断路器组成，直流电源E与线路电阻Rc、线路电感Lc、真空开关S1和负载电阻RL、电感LL串联。正常工作电流由真空开关S1上流过。强迫换流电路包括关断电容C及电感L，通过导通开关S2与真空开关S1并联。

1.2 直流断路器强迫关断原理

根据电弧的理论，电弧熄灭所必需的条件之一就是电弧电流必须要过零点。由于直流电弧没有自然零点，所以熄灭电弧就变得异常困难，因此分断时需在回路中投入反向电流，人工产生电流过零点，实现分断，这就是所谓的强迫换流原理。图2为典型的强迫换流原理示意图。正常通流时，电流从真空灭弧室上流过，触头电阻低，通态压降小，功耗较低。分断时，逻辑控制电路发出分闸指令后，立即触发驱动真空开关 S1分离，S1触头达到满行程后，通过S1的辅助触点控制S2快速触发闭合，预储能的换流电容C放电，放电电流方向与主电流方向相反，强迫主回路电流从触头支路转移到C-L-S2支路，触头电流S1逐渐减小直至过零熄弧，关断电容不断地被反向电流充电，触头两端出现恢复过电压，直到主回路电流减小到0。

图2 直流断路器分合闸原理

2 关断电路参数设计

换流参数的设计主要受到三方面的制约：1）换流电流的幅值必须高于待分断电流；2）电容电感尽量取小，电容电感越小，真空开关体积越小、经济性越好。

换流回路频率高时，换流回路的电容电感较小，开关的体积也较小，成本较低，但是存在的弊端是由于触头介质恢复时间减少，导致开断困难。如果换流频率低，则会导致开关体积大、成本高，但是此时开断比较容易。

图3为积累的实验数据，以200 A/μs的di/dt分断3 kA直流电流时，灭弧室成功耐受7 kV/μs、峰值6 kV的反向分断过电压。预期400 A以下直流电流，真空开关分闸到位后，采用100 A/μs的di/dt参数进行强迫分断，足以取得成功。

由公式

其中：Im为关断电流峰值；

di/dt=100 A/μs；

取Im=2I=800A。

为关断电容预充电电压，分别设为UC0=500 V、1000 V、2000 V，由公式(1)(2)计算得，C1=12.8 μF，L1=5 μH；C2=6.4 μF，L2=10 μH；C3=3.2 μF，L3=20 μH。

从关断过程考虑，减小预充电电压有利于关断，最终拟采用C=10 μF、L=5 μH、UC0==500 V的方案。

3 仿真计算

采用EMTP仿真软件对4 kV/400 A断路器开断额定电流进行仿真分析，按实际实验线路及断路器设计参数建立仿真模型，参数如表1所示，其中导通开关S2合闸机械延时为25 ms。

分闸仿真结果如图4所示。

在零时刻投入400A主回路电流，真空开关S1在主回路投入电流零时刻后2 ms时打开，经过23 ms关断开关合闸延时发出关断电流，关断电流以100 A/μs的速度上升，4 μs后通流开关触头上的电流为0，350 μs后主回路电流下降为0，开断成功。

图4 仿真图形

表1 仿真参数

4 开断试验

对设计的新型断路器，在实验室搭建了试验平台，进行了相关试验。试验中采用电源为脉冲电容模拟额定400 A电流进行分断试验，实验中主电容预充电5000 V，关断时刻主电容剩余电压为3890 V，系统电阻Rc=10 Ω，此时系统电流为389 A。关断电路参数为关断电容C=10 μF、关断电感L=5 μH、关断电容预充电电压UC0=500 V。分断过程波形如图5所示，触头燃弧25 ms后。投入换流电流，经过3.3 µs的换流过程，电流下降过零，关断成功。其中CH1为主回路电流，当投入关断电流后，主电流成功实现分断，实验结果与仿真基本一致。

5 小结

本文根据在现代船舶直流电力系统中对额定分断断路器的需求，设计了4 kV/400 A等级的直流真空断路器，在直流供电系统中应用上述断路器进行实验，成功实现了额定电流的分断，实验与仿真结果基本一致，取得了好的效果。总结本断路器有如下特点：

1）利用强迫换流的原理实现对额定电流的分断，具有体积小、成本低、可靠性高的优点。

2）根据实验室积累的数据，合理选择关断参数，既满足关断要求，又兼顾经济性和可操作性。

3）通过仿真计算和试验，成功验证方案的可行性。

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