杂散电感对混合式限流直流断路器影响的分析

施 源

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

轨道交通、远距离直流高压输电系统、可再生能源直流微电网等直流电力系统发展迅猛，直流断路器作为直流电网安全运行和保护的关键设备，其性能是制约直流系统发展的关键因素[1]。基于强迫换流原理的混合式限流直流断路器具有通流能力和分断能力强的优点，已成为直流开断技术的重要发展方向[2-3]。

混合式限流直流断路器一般由分断开关与隔离开关两部分串联组成，分断开关通常由三条回路并联组成，这三条回路为正常通流回路、强迫换流回路和限压吸能回路。

电路参数设计是短路电流能否迅速换流的关键[4]，无法换流或换流速度过慢都会造成短路电流分断失败。强迫换流回路的电路拓扑与参数设计一直都是混合式限流直流断路器设计的重点。

杂散电感是由电路中的导体，如连接导线、元件引线、元件本体等呈现出来的等效电感。大容量电力电子变换器对绝缘、耐压和散热的要求越来越高，从而使电路越来越复杂，杂散电感越来越大，对开关器件的影响也必然越来越大。

2 混合式限流直流断路器分断原理

混合式限流直流断路器主电路如图1所示，由高速电磁斥力机构SW、强迫换流回路和非线性氧化物金属电阻MOV三部分并联而成[5]。图2所示为混合式限流直流断路器仿真波形，额定电流为450A，应能分断峰值为20kA的短路电流。短路故障快速检测系统配合高速机构可以在短路电流不到4kA时就开始强迫换流，短路电流不超过 6kA 便已开始减小。系统正常运行时，电流全部从SW上流过。当发生短路故障时，断路器的短路早期检测单元检测到短路故障，并立即向SW发出关断信号。经过一定时间的延迟响应，SW触头断开并产生电弧，晶闸管T在燃弧后的很短时间内被触发导通，强迫换流回路的电容放电，与SW的电流对冲，实现强迫换流[6-10]。随后，电容通过二极管D1继续放电，此时SW触头两端有一段时间处于零电压状态，有利于SW触头介质的恢复。电容放电完成后，被反向充电，电容反向电压不断升高，形成过电压，主回路电流开始减小。当触头两端电压达到MOV的压敏电压值时，MOV导通并开始吸收回路中剩余的能量。最后，剩余能量全部由MOV吸收，主回路电流关断。

图1 混合式限流直流断路器主电路

图2 混合式限流直流断路器仿真波形

3 强迫换流回路杂散电感影响

在强迫换流回路中，电感L参数的设计需要综合考虑多方面因素。由于电感的基本作用是抑制电流过快变化，太大的电感值会使强迫换流回路的电流上升速率变慢，无法较快与短路电流形成对冲。电感值过小，则会导致电容放电的峰值电流很高，对电力电子器件形成严峻考验。

图3 强迫换流回路杂散电感影响仿真波形

由图3可以看出，强迫换流回路杂散电感对短路电流的换流过程影响不大，具体而言，杂散电感的加入会使流过SW触头的电流换流至0的时间略有延长，但对于设计留有余量的换流回路而言基本没有影响，短路电流完全可以换流。因此，强迫换流回路杂散电感对断路器短路电流分断能力几乎没有影响。

4 强迫换流回路与主回路间杂散电感影响

图4 强迫换流回路与主回路间杂散电感影响仿真波形

由图4可知，当强迫换流回路电容开始放电时，由于杂散电感的作用，原本因触头弧压而截止的D1在电容开始放电时便已经导通，电容放电的电流有相当一部分从D1中流过，使经过SW触头和短路电流对冲的电流不足，这样直到电容电流第二次和短路电流相等时，过SW触头的电流依然没有换流至0，分断失败。可见，强迫换流回路与主回路间杂散电感对断路器短路电流分断能力有非常显著的影响。为确保短路电流成功分断，在设计强迫换流回路参数的同时，要使强迫换流回路与主回路之间的杂散电感尽可能小，即导线要尽可能短。

5 限压吸能回路杂散电感影响

限压吸能回路利用MOV的特性设计而成，MOV在低于阈值电压时电阻很大，达到阈值电压后电阻会随电压的上升而急剧减小，此时MOV开始吸收分断过程中的系统储能，强迫换流回路电流逐渐减小至0。随着系统储能被MOV耗散掉，主回路电流减小至0。

图5 限压吸能回路杂散电感影响仿真波形

由图5可见，加入杂散电感前后仿真结果基本一致，这是由于MOV吸能换流过程发生在SW触头电流已经过0之后，因此限压吸能回路杂散电感对断路器短路电流分断能力没有影响。MOV刚导通时电流很小，此时线路电感也不会造成影响。

6 结束语

通过分析强迫换流回路、强迫换流回路与主回路间，以及限压吸能回路杂散电感对混合式限流直流断路器的影响，得出以下结论：

(1) 强迫换流回路杂散电感会使过SW触头电流换流至0的时间略有延长，但对于设计留有余量的换流回路而言，基本没有影响，短路电流完全可以分断；

(2) 强迫换流回路与主回路间杂散电感对SW触头换流影响很大，在线路设计杂散电感参数时需要重点考虑；

(3) 限压吸能回路杂散电感对混合式限流直流断路器性能几乎没有影响。

鉴于上述仿真分析结论，在实际工程设计时，在工况条件允许的情况下，混合式限流直流断路器中各元器件及接线应合理排布，导线应尽可能短，从而使强迫换流回路与主回路间杂散电感尽可能小。只有这样，设计出的混合式限流直流断路器才能具有预期的短路电流分断能力。

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