一种混合直流真空断路器参数设计方法

周 婕，刘 佳，张 浩

一种混合直流真空断路器参数设计方法

周 婕1，刘 佳1，张 浩2

（1. 中国合格评定国家认可中心，北京 100062；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

为合理设计混合直流真空断路器各支路器件参数，以提升开断故障电流速动性及可靠性。本文首先针对自然换流阶段支路杂散参数及主回路电流上升率对转移速度的影响进行研究，确立了半导体开关型号及连接方式；随后通过LC单频振荡回路使半导体开关电流过零，为确保该强迫换流阶段半导体开关两端反向承压时间大于其固有关断时间使其够可靠关断，对换流电容和换流电感参数进行了优化；最后从吸能角度出发确立了压敏电阻特性参数。基于该设计方法进行了20kA电流等级试验并取得高效分断性能。

自然换流 转移速度 强迫换流 固有关断时间 分断性能

0 引言

真空断路器由于具备良好的灭弧性能和友好的环保特性而逐步取代SF6型断路器，但应用于高压大电流环境下，在弧后极易发生电弧重燃而导致分断失败，此时若将真空断路器电流转移至电力电子器件并强迫关断故障电流后，由于电力电子器件的电压钳位作用，为真空开关提供了充足的“零电压”介质恢复时间，分断可靠性得到大幅提升。因此引入了图1所示的一种兼备真空开关低损耗通流特性及半导体优异关断性能的混合式直流断路器[1-4]，其工作过程主要分为三个阶段：自然换流、强迫换流及吸能过程。自然换流过程中真空开关及半导体支路的杂散及寄生参数对电流转移速率有着明显影响[5-7]；强迫换流过程中换流参数的选取关系到开关的关断性能[8-10]；而吸能过程中压敏电阻参数对全分断时间及吸收能量大小有一定影响。本文通过对三次电流转移阶段进行深入研究，并分析了半导体支路器件选型及各支路参数设计等直接影响断路器分断性能的一系列指标，最后在相应电流等级下进行重频试验，达到了本设计的预期目标。

图1 混合式直流断路器原理图

1 自然换流阶段

为使真空开关VS中故障电流迅速转移至晶闸管T支路，现分析两支路参数对转移时间的影响，转移等效电路如图1所示，V、T分别为燃弧支路及转移支路等效电阻，V、T分别两支路寄生电感，arc、T分别为真空开关燃弧电压及晶闸管通态压降，在故障电流上升时间为1 ms处，触发转移支路半导体开关开始实现故障电流自然转移。转移等效电路见图2 。

图2 自然换流等效电路

根据等效电路，列写回路基尔霍夫电压方程为

转移完成后，真空开关支路电流V=0，可求出转移时间表达式为

由于大电流自然换流阶段真空介质燃弧电压幅值约30 V，且通过弧压的钳位作用，晶闸管T工作在低压大电流环境，因此为了保障通流条件并减小晶闸管支路杂散参数对转移时间的影响，晶闸管组件可采用单件并联的方式。下面结合仿真工具深入分析式(2)中各回路参数对转移时间的影响。

1.1 等效电阻对转移过程的影响

在燃弧支路及转移支路杂散电感分别取值V=1 μH、T=0.5 μH，晶闸管T通态压降取值T=1.5 V条件下，基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件分析两支路等效电阻对转移过程的影响见图所示，可见燃弧支路等效电阻变化，转移时间几乎不变，只对转移过程中两支路电流动态分配存在一定影响；而转移支路等效电阻越大，转移时间越长，当其增大至一定数值后，便会出现电流转移失败现象，因此应尽可能减小晶闸管等效电阻，成功且迅速完成自然换流过程。

图3 回路电阻对转移过程的影响

1.2 杂散电感对转移过程影响

在燃弧支路及转移支路等效电阻分别取值V=50 μΩ、T=0.5 mΩ的条件下，分析两支路不同杂散电感参数对转移过程的影响如图4所示，可知随着两支路杂散电感不断增大，电流转移时间逐渐变大，且转移支路杂散电感影响更为明显，因此可采用多个晶闸管单件并联连接方式并保证各连接点接线紧凑，尽可能的减小杂散电感对转移过程的影响。

图4 回路电感对转移过程的影响

1.3 故障电流上升率对转移过程的影响

实际工况中，不同的短路故障发生条件导致故障电流上升率也有所区别，现通过仿真中选取不同数值的负载电感分析不同电流变化率对转移过程的影响见图5，随着故障电流上升率不断增大，转移过程中真空开关分配电流幅值变大，导致转移时间增大，但趋势逐渐饱和，不会引起电流转移失败现象。

1.4 晶闸管参数选型

经过上述对自然换流阶段电流转移特性的分析，采用5组及以上Y100KKM4000-4800快速晶闸管并联方式作为转移支路开关器件能够完成20 kA电流转移分断功能，并测得该型号单件在不同转移电流下的通态特性见图6，运用于本研究电流区间下的单件通态电阻约为=0.3 mΩ，并将实物3D图导入ANSYS/Q3D中计算出单件寄生电感为T=0.5 μH。并在主回路电流上升率约10 A/μs的条件下测出5～8组单件并联下转移特性如图7所示，可见增加晶闸管单件并联数目对电流转移时间影响较小，为保持一定余量，本研究中采取6组Y100KKM4000-4800单件并联方式作为转移开关器件。

图5 故障电流上升率对转移过程的影响

图6 Y100KKM4000-4800通态特性变化趋势

图7 并联数量对转移特性的影响

2 强迫换流阶段

当电流由真空开关VS完全转移至晶闸管T后，随即导通控制开关TVS投入换流回路，随着反向换流上升并使T电流过零，晶闸管进入反向恢复过程，并开始承担反向电压。当换流电容两端电压极性翻转后，晶闸管两端电压变为正向，设此阶段持续时间为s，晶闸管T固有关断时间为q，若s大于q，T便能可靠关断，反之T关断失败导致故障电流重新从主回路流通。现通过分析换流回路参数对T承担反压时间s大小的影响，首先为了满足T反向耐压要求，换流电容预充电取值C=6 kV，在确保能够换流成功的条件下并保留一定裕量系数，换流电流峰值应满足：

另外，为防止晶闸管T发生功率性击穿，对其可靠关断的电流变化率范围要求如下：

根据以上约束条件，在P1：=320 μF，=20 μH；P2：=480 μF，=30 μH；P3：=640 μF，=40 μH；P4：=800 μF，=50 μH四组换流参数下，晶闸管T两端反向承压情况如图所示，分析可知，随着换流电容及换流电感数值的不断增大，晶闸管T两端反向电压峰值减小，均不超过-4.5 kV，且承受反压时间增大，该型号晶闸管反压峰值等级满足要求，其固有关断时间为100 μs，因此应选取P3及以上等级换流参数，综合考虑换流回路成本及体积，最终选取换流电容=650 μF，=40 μH。

图8 不同换流参数下T的反向承压情况

3 吸能阶段

强迫换流阶段结束后，系统及储能电感不断向换流电容反向充电直至达到压敏电阻开通电压后，RV开始吸收系统能量，并将换流回路电压维持于其残压附近。此过程中断路器全分断时间及其吸收能量大小与压敏电阻RV的开通电压M及残压取值P关系见图，首先压敏电阻吸收能量与全分断时间随着M增大而减小，当M≥12 kV后，变化已不再明显，可将RV开通电压取值为M=12 kV；然后在开通电压M=12 kV不变情况下，RV吸收能量同样随残压P的增大而减小，且趋于饱和，但残压取值对断路器的全分断时间影响甚微，综合考虑换流电容在重频条件下的反向耐压等级要求，RV残压取值为M=14 kV。

图9 压敏电阻吸能随开通电压的变化规律

图10 压敏电阻吸能随开通电压的变化规律

4 试验验证

经过分断参数设计后，搭建了图11所示的试验平台，并进行了相应电流等级的分断试验，图12为断路器分断典型电流波形，其中M为主回路电流，S为真空开关支路电流，T为晶闸管T支路电流，C为换流支路电流，R为压敏电阻支路电流。该平台采用储能电容0=20 mF，调波电感0=500 μH，预置电压C0=4 kV的振荡回路参数模拟预期20 kA的故障电流。0时刻触发主回路控制开关MS1，当故障发生后1时刻断开真空开关VS，同时触发晶闸管T导通，经过2-1时间的自然换流过程，故障电流完全转移至半导体支路，3时刻触发换流支路控制开关MS2，经过4-3时间的强迫换流，电流随即转移至换流支路，当系统能量不断注入换流电容至其反向电压在5时刻超过压敏电阻RV开通阈值后，RV导通吸收系统能量，并最终于6时刻完成故障电流完全清除。经过参数合理化设计后，该混合式断路器全分断时间约为6.5 ms，通过故障电流三次转移过程，在20 kA电流等级的重频分断环境下，故障切除性能稳定且可靠，可向高压大电流领域拓展。

图11 试验回路

图12 分断电流典型波形

5 总结

本文提出一种高压大电流混合断路器的拓扑参数的合理设计方法，从断路器的高分断性能及快转移特性的角度出发，分析了影响该型断路器三个阶段的电流转移的因素：

1）自然换流阶段支路杂散参数及故障电流变化率对电流转移速度有一定影响，通过优化回路参数及设计晶闸管连接方式来提高自然换流速度；

2）强迫换流阶段换流电容及换流电感影响晶闸管的可靠关断，合理设计换流参数可使晶闸管的承受反压时间大于其固有关断时间；

3）吸能支路压敏电阻的开通电压及残压关系到全分断时间和吸收能量大小，提出一组RV参数有助于提高断路器分断速度并尽可能减小单次吸能。

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Parameter Design Method of Hybrid DC Vacuum Circuit Breaker

Zhou Jie, Liu Jia, Zhang Hao

（China National Accreditation Center for Conformity Assessment, Beijing 100062, China；Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2021）10-0033-05

2021-06-10

周婕(1982-)，女，硕士。研究方向：电气安全、电磁兼容，实验室及检验机构认可。E-mail: zhouj@cnas.org.cn

刘佳（1983-），男，硕士。研究方向：电气安全、电磁兼容，实验室及检验机构认可。E-mail: liujia@cnas.org.cn