3KV/200A真空直流断路器的优化设计

2016-10-14徐国顺庄劲武

船电技术 2016年11期

方伟，徐国顺，庄劲武

方伟，徐国顺，庄劲武

(海军工程大学电气工程学院，武汉 430033)

针对直流电力系统中额定电流的分断问题，本文提出一种真空直流断路器的拓扑结构，采用自然换流原理实现电网侧额定电流的分断。同时对断路器的结构组成进行优化设计，分析自然换流关断过程，通过计算得到关断参数。通过EMTP仿真软件对关断过程进行仿真，得到仿真波形，并在实验室搭建了300V/200A小比例试验平台，成功实现了200A电流的关断。最后实验结果与仿真拟合分析，结果证明，所提出的方案有效、可行，可用于断路器的参数的设计。

直流真空断路器自然换流换流回路

0 引言

3KV/200A真空直流断路器可以用在直流电力系统中，作为负荷开关使用，起到额定投切的关断作用。在这个电压电流等级上，国内一般使用空气开关，但是空气开关具有体积大，成本高等缺陷而真空开关具有体积小、可靠性高、价格低、寿命长等优点。基于真空灭弧室自然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，是近年来直流真空断路器的一个新的发展方向。

正常工作时，真空开关承担主回路电流，当需要分断时，斥力电路接到信号，发斥力，真空开关打开，从而产生电弧，使其与IGBT换流支路产生压差，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。最终通过信号控制关断IGBT，从而达到关断电路的目的。

1 直流真空断路器组成及原理

1.1 真空断路器组成

图1所示为直流系统及自然换流型真空断路器以及保护电路组成，直流电源E、线路电感L、真空开关VI和负载电阻R1串联。正常工作电流由真空开关VI上流过。自然换流电路包括IGBT以及线感L，首先通过触发T1电源放电经过一定时间电流达到我们要求给斥力发信号并且同时给IGBT发导通信号。此时触头产生弧压，并且开始换流，IGBT经过一定的导通时间，让真空开关零电压恢复，再给IGBT发关断信号，从而使该支路上的电流再次换流到电容上，最后进行关断。

1.2 直流断路器自然换流关断原理

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需要将触头上的电流转移人为的产生电流过零点，实现分断，这就是所谓的自然换流原理。

开关自然换流电路模型如图2所示

图2中：U为高速开断器弧压；U为IGBT元器件的通态压降; R、分别为换流支路电阻、电感；为短路电流；1和2分别为流过开关和IGBT支路电流。根据图2我们可以列出下式：

（1）

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VI分离，并且换流支路IGBT被导通，根据电弧弧压与IGBT导通压降的电压差形成自然换流，VI触头达到满行程后，经过一定时间的延时介质恢复时间，IGBT接到关断信号，IGBT两端出现出现过电压，直到主回路电流减小到零。图3为典型的自然自然换流控制原理示意图。

2 关断电路参数设计

换流特性是高速开断器的重要性能之一。高速开断器顺利完成向灭弧熔断器的换流是混合型高速限流熔断器成功分断的必要条件，换流时间过长或无法完成，都将导致分断失败。

高速开断器开断后的弧压与换流支路的电气参数直接决定了换流时间com，为了达到更好的限流效果，必须减小换流时间，根据上式（1）可以通过两种方式达到减小换流时间的效果，分别是提高开断器的换流电压U和降低换流回路支路的电阻和线感，所以在实验是尽量减小线路的电阻和线感。电容的确定,如下式可以求得电容=2.22mF 如下式（2）为电容的推导公式：

3 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200 A电流进行分断试验，=300 V,R=1.5Ω如下图3为实验波形图

由上波形图，首先我们可以看到IGBT可以成功的关断主回路电流，其中触头与IGBT的换流时间大约为3.2ms左右，此时的IGBT两端电压为10 V。在经过大约150ms的换流与真空触头零电压恢复时间，触头两端经过10ms产生了大约630 V的过压。

由上图4我们可以算出主回路上升率大约为4.05 A/ms，从而我们可以算出线路电感为74mH,再有我们同样可以算出换流时的上升率为=200A/3.8 µs=52.6 A/ms，由上面的换流回路可以知道弧压10 V, IGBT通态压降大约3 V,从而可以由式（10-3）=*得出IGBT支路上的线感为0.16 µH,同时也可以得出触头支路的电感为0.1 µH,根据IGBT和电容支路换流阶段波形来看耗时为0.25 µs，=200/0.25=800 A/µs此时俩端电压为160V,*di/dt=160从而可以得到电容支路电感为0.2 µH。

4 仿真计算实验结果验证

采用EMTP仿真软件对所设计的300 V/200 A开关断路器电流进行仿真分析，按实际实验线路及断路器设计参数建立的仿真模型，根据电路原理图我们建立了仿真模型，在建模过程中存在线路的参数选取与设置，从而接下来我们将实验所得的参数代入仿真模型中进行参数设置，以下为仿真与实验拟合情况。

1)主回路拟合

2)IGBT与触头换流IGBT支路电流拟合

3）IGBT与电容支路换流IGBT支路关断阶段电流拟合

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3 KV/200 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，成功实现了小比例额定电流的分断，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）利用自然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）通过仿真计算和试验，成功验证方案的可行。3）增大弧压与减小换流支路线感均有利于换流顺利进行，有利于分断。