混合式断路器自然换流过程分析研究

沙新乐，彭振东，李 博，任志刚



混合式断路器自然换流过程分析研究

沙新乐，彭振东，李 博，任志刚

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对直流电力系统中快速上升的短路电流在混合式断路器中转移困难的问题，开展了混合式断路器自然换流过程影响因素的分析研究。通过搭建仿真模型对短路电流在高dd时的转移过程进行仿真分析，得出了电流转移时间与转移电流峰值、晶闸管组件的阈值电压和通态电阻的关系曲线。最后通过样机进行短路试验，验证了仿真分析的合理性，并对晶闸管组件中串联元件数目不同，电流转移时间仿真值与试验值出现的差异做出了解释。

混合式断路器 换流 晶闸管 串联

0 引言

目前，轨道交通牵引系统、柔性直流输电系统、舰船综合电力系统等均采用直流供电。随着电力系统容量的增加以及电压等级的提高，短路故障发生后，电流变化率极高（超过20 A/μs），电流峰值可达150 kA，直流断路器成为对系统保护必不可少的设备。混合式断路器综合了机械开关和半导体开关优良的动、静态特性，成为直流保护中较为有效的技术方案。

混合式断路器通常由真空开关（或机械开关）、固态开关、换流电容以及限压耗能装置组成。系统正常工作时，电流全部从真空开关流过；短路故障发生后，真空开关断开，同时触发固态开关，短路电流从真空开关转移到固态开关。在短路电流快速上升过程中，真空开关中的电流能否迅速转移到固态开关是决定短路分断成败的关键。混合式断路器中采用电磁斥力开关作为真空弧室动触头的驱动机构，如果驱动电容电压过低，将会造成断路器从收到分断命令到实际开始分断的延迟时间∆d增加。在电流快速上升过程中，随着∆d增加，转移电流峰值也增加。而驱动电压过高又会降低断路器的机械寿命；受限于单个半导体元件的耐压水平，采用半导体元件串联是研制中、高压型混合式断路器的必然要求。但随着固态开关组件中串联元件数目的增多，组件的阈值电压和通态电阻也相应增加。这些因素均会对自然换流过程产生影响。

国内外很多学者对自然换流过程进行了分析研究，文献[1]通过仿真分析得出，电流转移时间与真空开关弧压、支路杂散电感有关，但并没有明确具体的影响关系且缺少相关的试验验证；文献[2]中经过一系列简化处理，推导出了电流转移时间的数学表达式，但分析过程中将固态开关通态压降看做恒定值，势必导致较大的误差；文献[3]只对恒定电流转移过程进行了分析，不涉及高d/d工况下的电流转移过程分析；文献[4]简单介绍了工程中减小电流转移时间的措施，未进行任何理论分析。

针对上述问题，本文在8 kV/5 kA混合式断路器样机的基础上，利用PACAD/EMTDC构建了混合式断路器自然换流过程的仿真模型。仿真结合试验，分析了转移电流峰值、晶闸管组件的阈值电压和通态电阻对电流转移时间的影响，所得结论对混合式断路器的斥力开关驱动电压的选取、晶闸管元件选型等具有指导意义。

1 混合式断路器基本原理

混合式断路器主电路拓扑如图1所示，包括：

1）真空开关S1构成的主开关支路；

2）晶闸管组件T1构成的电流转移支路；

3）晶闸管组件T2、电容C1、电感L1构成的强迫关断支路；

4）压敏电阻MOV构成的耗能支路；

混合式断路器的工作过程如下，主要包括四个阶段：

1）系统正常运行状态：真空开关S1闭合，主开关支路承担负载电流；

2）自然换流过程：系统发生短路故障，短路电流迅速上升，真空开关S1断开，同时触发晶闸管组件T1，使其在弧压作用下导通，短路电流转移到电流转移支路；

3）强迫换流过程：触发晶闸管组件T2，C1、L1、T1回路导通，产生电流c迫使晶闸管组件T1中的电流下降到零，短路电流转移到强迫关断支路；

4）耗能限压过程：电容器C1开始反向充电，当真空开关S1两端电压上升到压敏电阻MOV开通电压时，压敏电阻开通，短路电流转移到耗能支路。

2 自然换流过程理论分析

自然换流过程等效电路如图2所示，其中1为真空开关电弧电压，s1为主开关支路杂散电感；2为晶闸管组件T1的阈值电压，2为晶闸管组件T1的通态电阻；s2为电流转移支路杂散电感。

图2 自然换流过程等效电路

根据基尔霍夫定律，得到自然换流过程中的微分方程组如式（1）所示：

其中，表示系统短路电流，0表示短路电流开始转移时刻，0表示该时刻的电流值，即转移电流峰值。由式(1)可以看出影响电流转移时间∆的因素包括：，1、s1，s2，0，2和2。

利用电桥测得8 kV/5 kA混合式断路器样机中支路杂散电感s1=0.13 μH，s2=0.5 μH（组件T1中仅有一个晶闸管元件）。图3给出了样机中真空开关S1在分断15.5 kA电流过程中弧压特性曲线，并据此拟合其弧压特性表达式见式（2）。

据此，当直流电力系统短路电流确定的情况下，该样机中影响电流转移时间∆的因素为：0、2和2。

图3 真空电弧特性曲线

3 自然换流过程仿真分析与验证

样机驱动电容1 mF，实测驱动电压与断路器延迟时间∆d的关系如表1所示，可以看出，随着驱动电压的升高，断路器延迟时间∆d逐渐减小并趋于饱和。

表1 不同驱动电压时断路器延迟时间∆t

实际电力系统的短路故障可以用图4所示LC振荡回路电流上升的过程来模拟，其中脉冲电容0=36 mF，调波电感0=55 μH，线路电阻0=10 mΩ。脉冲电容0充电2300 V，通过真空触发开关TVS来控制回路导通。

图4 故障电流分断测试电路

3.1 自然换流过程仿真分析

在PSCAD/EMTDC中搭建混合式断路器的仿真模型，利用图4所示测试电路进行仿真分析。模型中以真空触发开关TVS的触发脉冲与晶闸管组件T1的触发脉冲的时间间隔来模拟断路器的延迟时间∆d。通过改变晶闸管组件T1的触发时刻来改变∆d，从而改变转移电流峰值0。不同0与电流转移时间∆的关系曲线如图5所示。

图5 转移电流峰值i0与∆t的关系曲线

可以看出，电流转移时间∆随着转移电流峰值0增加而增加。但0由12 kA增大到19 kA时，电流转移时间∆仅增大了200 μs。考虑到过高的驱动电压并不会大幅降低转移电流峰值0且还会严重降低断路器的机械寿命，因此，可在一定范围内降低斥力开关的驱动电压以增加断路器的使用寿命。

令∆d=360 μs，对应转移电流峰值0=14 kA，当晶闸管组件阈值电压以及通态电阻不同时，电流转移时间的变化曲线如图6所示。

图6 不同通态电阻时，通态压降与∆t的关系曲线

可以看出，电流转移时间∆随着晶闸管组件的阈值电压增加而增加，随着晶闸管组件通态电阻的增加而迅速增加。因此实际元件选型中，通态电阻是首先要考虑的因素。

3.2 自然换流过程试验验证

为了验证仿真分析所得结论的正确性，利用断路器样机进行短路试验。当∆d分别取240 μs、360 μs和500 μs时，对应转移电流峰值0分别为10.5 kA、14 kA和19 kA。实测真空开关S1中电流波形如图7所示。

图7 i0不同时，真空开关S1中的电流波形

转移电流峰值0不同时，电流转移时间仿真值与试验值如表2所示，可以看出，仿真计算与试验结果基本吻合。

表2 转移电流峰值i0不同时，仿真值与实验值对比

样机中的晶闸管组件T1由湖北台基Y100KKM4000-48型快速晶闸管元件串联组成，单个晶闸管元件阈值电压T=1.58 V，通态电阻T=0.16 mΩ。当晶闸管组件T1中分别采用1个晶闸管元件、2个晶闸管元件串联、3个晶闸管元件串联，在d=360 μs时触发晶闸管组件T1，分别测得真空开关S1中电流波形如图8所示。

图8 串联元件数目不同时，真空开关中的电流波形

晶闸管组件中串联元件数目不同时，电流转移时间仿真值与试验值如表3所示。可以看出，仿真值与试验值的变化趋势基本一致，但随着晶闸管组件中串联元件数目的增多，实验值略高于仿真值。分析认为，前文中利用电桥测量的杂散电感s2为晶闸管组件T1中仅包含一个元件时的值，而随着组件中串联元件数目的增多，支路杂散电感s2也有所增加，导致实际电流转移时间增加。

表3 串联元件数目不同时，仿真结果与试验值对比

4 结论

文中通过搭建仿真模型，并进行试验验证，分析了自然换流过程中转移电流峰值0，晶闸管组件阈值电压以及通态电阻对电流转移时间的影响，得出结论如下：

1）电流转移时间随着转移电流峰0、晶闸管组件的阈值电压以及通态电阻的增大而增大；

2）相比于转移电流峰0和晶闸管组件的阈值电压，晶闸管组件的通态电阻对电流转移时间的影响要更加明显；

3）随着晶闸管组件中串联元件数目增多，支路杂散电感也相应增加，从而导致电流转移时间增加。

[1] 骆文平, 朱兆芳, 任志刚. 一种混合式直流断路器设计方法[J]. 船电技术, 2018, 38(7): 6-8.

[2] 王晨, 庄劲武, 张晓锋, 江壮贤, 杨锋, 戴超. 混合型限流断路器在高短路电流上升率时换流试验分析[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(16): 65-70.

[3] Roodenburg B, Taffone A, Gilardi E, et al. Combined ZVS--ZCS topology for high-current direct current hybrid switches: design aspects and first measurements[J]. Electric Power Applications Iet, 2007, 1(2): 183-192.

[4] 陈名, 黎小林, 许树楷等. 基于零电压零电流的混合式直流断路器[J]. 南方电网技术, 2015, 9(3): 10-14.

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Analysis and Research on the Process of Natural Commutation in the Hybrid Circuit Breaker

Sha Xinle, Peng Zhendong, Li Bo, Ren Zhigang

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

A

TM721

1003-4862（2019）02-037-04

2018-09-12

沙新乐（1991-），男，硕士研究生。研究方向：舰船电力电子应用技术研究。E-mail: www.shaxinle@qq.com