两种混合式限流断路器强迫换流方式分析

李福生

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070）

0 引 言

近年来，混合式限流断路器得到科研人员的持续研究，并有多种形式的样机涌现。一方面是由于国家工业发展增速，引发电力系统不断扩容，电网故障电流高，故障电流上升率快，传统断路器分断能力不足等问题[1,2]；另一方面是由于风光储等分布式能源技术兴起，分布式电网与大电网连接需要能够快速响应的PCC开关，传统断路器响应时间慢[3,4]。此外，直流微电网、轨道交通牵引系统、船舰直流电力系统等直流电网技术发展，亟需与之配套直流断路器的出现[5-8]。

强迫换流作为混合式限流断路器的重要组成部分，换流方式直接决定了混合式限流断路器的协同控制策略及关键参数设计。为研究换流方式对协同控制及关键参数设计，本文分析了两种强迫换流方式的换流过程，并通过仿真研究，对比了两种换流方式的优缺点及协同控制难易程度。

1 强迫换流技术

混合式限流断路器典型拓扑结构如图1所示，其一般由高速电磁斥力开关、强迫换流支路以及能量吸收支路3部分组成[3]。强迫换流的原理是利用电感电容之间产生谐振，通过谐振电流来抵消流经高速电磁斥力开关的电流，并使开关电流降为零，然后熄弧分断[9]。处于能量吸收支路的压敏电阻MOV用于吸收故障电流转移过程中的剩余能量[4]。

图1 混合式限流断路器典型拓扑结构

按照晶闸管导通、高速电磁斥力开关动作的控制时序不同，可以将强迫换流技术分为两类，即“先分断再换流”和“先换流再分断”两种方式。前者是指在强迫换流过程中，开关动静触头分开后再导通晶闸管；而后者恰恰相反，即先使晶闸管导通，开关动静触头才分离。

2 强迫换流过程分析

2.1 “先分断再换流”的强迫换流方式

“先分断再换流”的强迫换流方式中，主要有燃弧、强迫换流、介质恢复3个阶段[3,4]。以短路故障发生在电力系统正方向为例，分析具体换流过程。

2.1.1 燃弧阶段

系统控制单元通过DDL算法识别出电网短路故障后，随即向高速电磁斥力开关S发送分断指令，经开关的固有机械延时后，动静触头才开始分离，该阶段会在动静触头之间产生25 V左右的电弧电压，如图2（a）所示[10]。

2.1.2 强迫换流阶段

经过短暂燃弧后，再触发导通晶闸管VT1，电容C通过该回路放电，放电电流与流经开关S电流相消，致使开关电流迅速下降。由于正向电弧电压Us的存在，二极管VD1反向截止，使放电电流全部流过开关，实现电流的最大化利用，如图2（b）所示。强迫换流结束后，流经开关的所有电流都转移到强迫换流支路。

2.1.3 介质恢复阶段

高速电磁斥力开关S电流过零分断后，嵌在二极管VD1的电弧电压消失，VD1导通，电容C与VD1构成放电回路，分流放电，直到放电结束，如图2（c）所示。

图2 “先分断再换流”的强迫换流方式电流回路

不难看出，采用该种强迫换流方式，有以下特点：燃弧阶段产生的电弧电压Us使二极管VD1在强迫换流阶段反向截止，仅有一条电容放电回路，使电流得到最大化利用；在电容放电过程中，放电电流主要用于与开关电流相抵消，换流结束后，多余的电流通过VD1泄放，不会出现开关过对冲的现象（即通过开关的电流对冲过量导致电流反向增大，开关没有零电流关断）；换流过程不受开关电阻电感等参数发生改变的影响[4]。

2.2 “先换流再分断”的强迫换流方式

以短路故障发生在电力系统正方向为例，分析具体换流过程。系统控制单元通过DDL算法识别出电网短路故障后，随即向高速电磁斥力开关S发送分断指令。开关动静触头分离之前，触发导通晶闸管VT1。此时，电容放电产生的电流与开关电流相消。一段时间后，即经过开关固有机械延时后，开关动静触头开始分离。

对于同一短路工况，当开关动静触头分离时刻固定，触发导通晶闸管VT1的时刻不同，可能出现以下几种情况[3]。

2.2.1 理想零电流分断

开关动静触头分离时，通过开关的电流恰好为零，此时，动静触头上电弧电压也为零，实现无弧分断。图3（a）为晶闸管导通后触头分离之前的电流回路。此时，二极管VD1正向导通，电容C通过两条回路放电，仅有一条回路换流，此阶段为软换流阶段。开关触头分离时，电弧电压为零，电容储存的剩余能量通过VD1、VD2两条回路继续泄放，直至电容放电完毕，此阶段称为介质恢复阶段，如图3（b）所示。

图3 理想零电流分断时电流回路

在软换流阶段，VD1电压UVD1、VD2电压UVD2和开关S电压US存在如下关系：

VD1、VD2一定的情况下，开关电阻和电感不同，UVD1的值可正、可负，VD1的导通情况较为复杂，如图4所示。经过分析，开关参数对VD1导通情况的影响作用，电感相较于电阻更为显著。

图4 VD1电压UVD1对电流回路的影响

假定开关电阻不变（120 μΩ），分析在不同开关电感参数下，VD1的导通情况如下文所述。

若开关电感比较大（如0.005 μH），开关电流减小时会产生一个较大反向感应电动势，超过开关电阻产生正向电压，使开关电压US始终小于零，根据电压关系（式（1））推知VD1电压UVD1大于二极管导通阈值电压。此时，VD1在整个软换流阶段一直导通，该过程中电流流通回路如图4（b）所示，相关元器件电流波形如图5（a）所示。

若开关电感比较小（可忽略不计），开关电流下降过程中产生的反向感应电动势较小，对开关电压US影响不大。开关电流下降伊始（即触发导通晶闸管VT1瞬间），VD1电压UVD1小于阈值电压，VD1反向截止，如图4（a）所示。伴随着开关电流下降，开关电压US减小，减小到小于电压阈值，VD1电压UVD1大于二极管导通阈值电压，VD1导通，如图4（b）所示。整个换流过程中相关元器件电流波形如图5（b）所示。不难看出，开关电感不同，换流过程中VD1开始导通时刻不同，给换流过程带来了很大的随机因素，增大了参数设计和协同控制的难度。但由于VD1在换流期间某时刻才开始分流，其分流作用不如换流全过程分流显著，因此电容预充电电压相对前者略低一些。

图5 理想零电流分断情况下，相关元器件电流波形

2.2.2 正向起弧分断

晶闸管VT1导通比开关触头动作提前，开关动静触头分离时，其电流尚未减小到0，会产生电弧电流，形成起弧电压，此后在正向弧压的作用下完成换流过程。导通VT1后，VD1正向导通，电容通过两条回路放电，仅有一条用于换流，如图6（a）所示。开关动静触头分离，触头间产生电弧，电弧电压约为25 V。在正向电弧电压作用下，开关电流迅速转移到VT1支路，如图6（b）所示。待开关电流下降至零后随即进入介质恢复阶段。

图6 正向起弧分断电流回路

与理想零电流分断相类似，开关电感不同，软换流阶段VD1的导通情况会有所不同。假定开关电阻不变（120 μΩ），分析在不同开关电感参数下，VD1的导通情况如下文所述。

开关电感比较大（如0.005 μH），开关电流减小时会产生一个较大反向感应电动势，超过开关电阻产生正向电压，使开关电压US始终小于零。从而使VD1电压UVD1大于二极管导通阈值电压，VD1在该阶段一直导通。当开关触头分离时，动静触头之间产生约为25 V的电弧电压，电流转移加快，直至开关电流降为零，无电弧产生，相关元器件电流波形如图7（a）所示。由于电弧电压在其中的关键作用，绝大部分电流是在燃弧阶段换流的。电弧电压使VD1反向截止，从而使电容放电电流得到有效利用。此时，电容预充电电压不必很高也能完成换流。

若开关电感比较小（可忽略不计），开关电流下降过程中产生的反向感应电动势较小，对开关电压US影响不大。开关电流下降伊始，VD1电压UVD1小于阈值电压，VD1反向截止，如图4（a）所示。随着开关电压US的下降，VD1开始导通，相关元器件电流波形如图7（b）所示。在此情况下，燃弧阶段开关电流的换流过程相当迅速，电容预充电电压不必很高即可完成换流。

图7 正向起弧分断情况下，相关元器件电流波形

2.2.3 反向起弧分断

晶闸管VT1导通比开关触头动作提前，开关动静触头分离时，其电流在电容电流对冲下已反向增大，这时动静触头之间产生反向电弧电流和反向起弧电压。此后，在反向弧压作用下，电弧电流减小至零。其中VT1导通而开关触头未分离的换流阶段称为软换流阶段，开关分离后直至触头间电弧熄灭的换流阶段称为燃弧阶段。

与理想零电流分断相类似，开关电感不同，软换流阶段VD1的导通情况会有所不同。假定开关电阻不变（120 μΩ），分析在不同开关电感参数下，VD1的导通情况如下文所述。

若开关电感比较大（如0.005 μH），晶闸管VT1导通伊始，二极管VD1即导通，VD1一直处于分流状态，相关元器件电流波形如图8（a）所示。

若开关电感比较小（可忽略不计），晶闸管VT1导通伊始，二极管VD1反向截止，随着开关换流的进行，VD1电压达到导通电压，VD1正向导通分流，相关元器件电流波形如图8（b）所示。

图8 反向起弧分断情况下，相关元器件电流波形

综合上述3种分断情况，不难看出该种强迫换流方式在触发晶闸管VT1导通信号的时刻不同会表现出不同的换流过程，存在以下特点：整个换流过程中，VD1会不定期导通，部分电容放电电流通过VD1泄放，与开关电感参数密切相关；对于分断额定电流的情况可以归结为反向起弧分断情形，因此，可以分断额定电流。

3 两种强迫换流方式比较

假定高速电磁斥力开关电感为0.01 μH，开关电阻为120 μΩ，关断电容C为400 μF，关断电感L为10 μH。利用Matlab仿真工具建立仿真模型，对比同一工况下，两种强迫换流方式在高速电磁斥力开关电流、关断电容换流能力、关断时间及分断额定电流之间的异同。

3.1 高速电磁斥力开关电流

同一短路工况，控制单元向开关发送分断指令的时刻决定了开关动静触头分离的时刻。无论哪种换流方式，开关电流都是从晶闸管VT1导通后开始减小的。介于“先换流再分断”换流下晶闸管VT1导通时间早，所以，对于同一短路工况该种换流下开关电流处于较小点时就开始下降，而“先分断再换流”换流下开关电流上升至较高点才开始下降，这导致了“先换流再分断”换流下开关电流较小。

3.2 关断电容换流能力

两种换流方式下，二极管VD1的导通关断情况有所不同。“先分断再换流”的换流方式下，二极管VD1始终关断，电容电流全部用于强迫换流。而后者二极管VD1在VT1导通瞬间即开始导通分流，在换流初期削弱了电容强迫换流的能力。但开关动静触头分离后，VD1电流陡降至零，不再分流，而VD2电流相应陡升，使得换流后期电容电流全部用于强迫换流。从整个换流过程来看，VD1前期分流虽然使电容换流能力减弱，但随着VD1电流降为零，电容换流能力又得以恢复。总体来说，VD1的前期分流作用对电容强迫换流影响不大，其换流能力与VD1始终关断时的换流能力相当。但“先换流再分断”换流下开关电流较小，所以，该种换流方式下关断电容电压可以更低，如图9所示。

图9 两种强迫换流方式下，分断短路故障电流波形

3.3 关断时间

“先换流再分断”换流方式下，换流开始时刻相对较早。同时，关断电容电压较低，以至于电容放电时间也相应较短。两个因素共同作用下使该种换流方式总关断时间略短。

3.4 分断额定电流

两种换流方式分断额定电流，仅仅是“燃弧阶段”和“软换流阶段”的先后不同，其总分断时间、各关键器件的电压电流变化情况差别不大。相较于“先分断再换流”换流方式，“先换流再分断”换流由于二极管VD1分流影响，其燃弧电流相对较小，但换流过程较长。

4 结 论

针对两种混合式限流断路器强迫换流方式进行研究，本文分析了两种强迫换流方式优缺点，得出如下结论。

（1）“先分断再换流”换流方式换流过程相对明确，容易实现高速电磁斥力开关和强迫换流支路的协同控制。

（2）相比于“先分断再换流”换流方式，“先换流再分断”换流方式换流过程复杂。根据开关动静触头分离时，开关电流大小可将其分为理想零电流分断、正向起弧分断以及反向起弧分断3种情况。且每种分断方式均受到高速电磁斥力开关自身参数（主要是电感）的影响；给换流过程带来了很大的随机因素，增大了参数设计和协同控制的难度。

（3）同等工况下，相比于“先分断再换流”换流方式，“先换流再分断”换流方式下，通过高速电磁斥力开关最大电流小，换流能力和分断额定电流能力相当，总关断时间短。

（4）高速电磁斥力开关电感电阻参数及固有机械延时时间已知且为固定值时，适合选择“先换流再分断”换流方式换流。此时，当故障电流上升率较高时，通过开关协同控制策略使开关零电流分断；当故障电流上升率较低时，通过开关协同控制策略使开关正向起弧分断。当开关固有机械延时时间不确定时，最适合选择“先分断再换流”换流方式。