熔絲型混合式直流限流開關(guān)的分析與設(shè)計

1 引 言

隨著直流供電系統(tǒng)的功率急劇增加，其設(shè)計和研制中都面臨著許多全新的問題。其中一個技術(shù)瓶頸就是，如何使短路電流被限制在保護設(shè)備的極限通斷能力之內(nèi)。

目前,國際上現(xiàn)有的解決方法，主要是加裝限流裝置(Fault Current Limiter, FCL)。有兩種常用的解決方案[1]：傳統(tǒng)機械開關(guān)導(dǎo)通穩(wěn)定、帶負載能力強，但是響應(yīng)速度慢、帶電弧、穩(wěn)定性和可控性差；而固態(tài)限流開關(guān)響應(yīng)速度快、無電弧，但是通態(tài)損耗大、耐壓水平低、不能完全開斷電路而且給電網(wǎng)帶來了嚴重的諧波污染?；旌闲拖蘖骷夹g(shù)充分利用了兩種開關(guān)的優(yōu)點并通過合理動作配合的設(shè)計來克服其缺點，它能夠隨時檢測系統(tǒng)故障電流狀態(tài)并控制開關(guān)的分斷，又可以及時響應(yīng)控制信號，是名副其實的智能化保護設(shè)備，也是限流開關(guān)發(fā)展的方向?；旌鲜较蘖鏖_關(guān)從功能實現(xiàn)上又主要分為兩種：零電流型 (ZCS)和零電壓型 (ZVS)開關(guān)[2]。

本文在分析和比較了ZCS和ZVS型開關(guān)的原理和特點基礎(chǔ)上，提出了一種簡單可行的零電壓型混合式限流方案。

2 ZVS和ZCS型開關(guān)的比較

假設(shè)開關(guān)動作時電弧電壓為vsw，開關(guān)電流為isw，電弧產(chǎn)生時間為tarc，則開關(guān)動作時電弧能量為：

(1)

ZVS和ZCS開關(guān)兩種方案都降低了電弧的能量。ZCS開關(guān)依靠產(chǎn)生零電流，ZVS開關(guān)依靠產(chǎn)生零電壓，兩種方法又都減少了電弧存在的時間。兩種方案都是通過給機械開關(guān)布置了一條并聯(lián)的電路來實現(xiàn)。兩種方案的原理如圖1所示。

圖1 混合式開關(guān)原理圖

ZCS開關(guān)是通過并聯(lián)支路在開關(guān)動作時釋放一個與主電流反方向的電流脈沖，從而實現(xiàn)機械開關(guān)動作時的零電流；而ZVS開關(guān)方式采用了一條并聯(lián)的換流電路，機械開關(guān)斷開時電流換流至并聯(lián)支路同時保證開關(guān)兩端電壓很低，從而實現(xiàn)了開關(guān)動作時的零電壓。

在混合式開關(guān)的設(shè)計過程當中我們選擇了ZVS開關(guān)形式。ZCS開關(guān)之所以沒有被選擇是因為其需要大量的諧振元件和外部電源。ZVS開關(guān)形式的另外一個優(yōu)勢就是在機械開關(guān)閉合的過程當中可以避免觸頭拉弧，這是因為在開關(guān)接通時并聯(lián)支路提供了一條的換流電路。ZVS開關(guān)的不足就是需要一些無弧電流關(guān)斷器件，如電力電子器件等。

3 拓撲結(jié)構(gòu)

圖2所示是文獻[2]、[3]中提出的ZVS型混合式開關(guān)的基本拓撲結(jié)構(gòu)，它主要包括3條并聯(lián)的支路：電磁斥力式機械開關(guān)為通流支路，而固態(tài)開關(guān)和能量吸收器件并聯(lián)組成了二次換流支路。

圖2 ZVS型混合式開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)

整個開關(guān)過程中3條并聯(lián)支路中的電流波形依次如圖3所示。它的工作過程是：電網(wǎng)正常運行時，機械斥力開關(guān)閉合，固態(tài)開關(guān)關(guān)斷，額定負載電流通過機械開關(guān)，不會產(chǎn)生顯著損耗；當電網(wǎng)短路故障時，控制機械開關(guān)分斷，固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通，短路電流換流到固態(tài)開關(guān)支路，隨后控制固態(tài)開關(guān)關(guān)斷，電流又快速轉(zhuǎn)移到并聯(lián)的能量吸收支路，達到快速限制短路電流的目的，同時抑制了系統(tǒng)的過壓。采用兩次支路換流，是因為開關(guān)電弧電壓較低，直接由電弧電流向限流電阻轉(zhuǎn)移較為困難。

圖3 ZVS型混合式開關(guān)3條支路電流波形

在這種ZVS混合式限流開關(guān)的設(shè)計中主要有3點關(guān)鍵技術(shù)：電磁斥力式機械開關(guān)的設(shè)計、固態(tài)開關(guān)支路的設(shè)計以及能量吸收器件的選擇。機械式斥力開關(guān)的設(shè)計將在下文做詳細介紹。能量吸收器件現(xiàn)階段通常使用MOV(金屬氧化物變阻器)或PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)。固態(tài)開關(guān)支路則通常采用IGBT和IGCT等電力電子器件組成[4，5]。由于電網(wǎng)短路功率的急劇增加，為了解決固態(tài)開關(guān)耐流耐壓的問題，通常采用多個電力電子器件串并聯(lián)來實現(xiàn)，這種方法實踐證明既復(fù)雜可靠性又低。為了有效解決這個矛盾，本文提出了一種新的ZVS開關(guān)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型ZVS型混合式開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)

這種方案中用快速熔斷器代替了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的固態(tài)開關(guān)支路和能量吸收支路。這里使用的快速熔斷器是專為電力電子器件過流保護設(shè)計的，具有通態(tài)電阻小，弧前能量低等特點，它的額定電流遠小于電網(wǎng)系統(tǒng)額定電流，這些都保證了短路電流從機械式斥力開關(guān)換流到快熔支路后能夠在極短的時間內(nèi)將快熔熔斷，從而達到迅速限制短路電流的目的。

4 高速電磁斥力開關(guān)設(shè)計

混合式限流技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)是動作以數(shù)百微秒記的快速操動機構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，采用電磁斥力開關(guān)[6，7]可以滿足這種快速動作的要求。

電磁斥力開關(guān)的工作原理如圖5所示。其中，1為驅(qū)動線圈(驅(qū)動盤)，2為運動銅盤(動盤)。當K閉合，由于回路電感很小，使線圈1中產(chǎn)生巨大的電流脈沖和電容放電脈沖，線圈1產(chǎn)生的磁場匝穿越鋁盤2，在鋁盤中感應(yīng)出電流，這個感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，線圈1與鋁盤之間立即產(chǎn)生斥力F，使銅盤向上迅速運動。放電時脈沖電流的增長速度di/dt越大，鋁盤中產(chǎn)生的感應(yīng)電流也就越大，斥力越大。而當電流不變化時，則斥力為0。

圖5 電磁斥力開關(guān)的原理

電磁斥力開關(guān)的分析和設(shè)計由于涉及到電路、電磁感應(yīng)、電磁力、機械運動等多個動態(tài)方程，非常復(fù)雜，當前多用有限元法分析。試驗電路如圖6所示。圖中T為升壓變壓器，二極管D1為線圈提供續(xù)流電路，變壓器通過D2向電容C充電，通過晶閘管G的導(dǎo)通時間來控制電容器C的放電。經(jīng)過實驗階段的不斷測試和改進,斥力線圈采用了印刷電路板形式，這種形式主要有兩方面的好處：一是通過線圈與鋁盤之間小距離減小線圈與動盤之間的互感；二是可以在最小互感的基礎(chǔ)上達到完全絕緣的目的。采用這種方式在實驗室的測試過程當中取得了較為明顯的效果。另外動盤在安裝時使用彈簧提供給開關(guān)觸頭一個適當?shù)念A(yù)緊壓力，從而保證觸頭接觸良好。

圖6 電磁斥力開關(guān)的試驗電路

圖7是試驗中使用的電磁斥力開關(guān)分別在無彈簧和100 N預(yù)緊彈簧力作用下對驅(qū)動線圈放電，測得了驅(qū)動電流和觸頭電壓波形。試驗中電磁斥力開關(guān)串聯(lián)在一個電池與電阻的串聯(lián)回路中。圖中，從上至下依次為驅(qū)動電流波形、100 N預(yù)緊彈簧力作用時觸頭電壓波形、無彈簧時觸頭電壓波形?？梢?，觸頭分斷時刻幾乎不受彈力大小的影響，但觸頭過電壓的大小卻隨著彈力的增大而增大。試驗中各電路、機械運動參數(shù)如表1所示。

圖7 不同反力時的觸頭電壓波形

表1電磁斥力開關(guān)主要參數(shù)

放電電容/mF0．98電容初始電壓/V1000動盤質(zhì)量/kg0．75驅(qū)動電流峰值/A9000動盤加速度峰值/g5000動盤運動平均速度/m·s-15觸頭分斷時間/μs70

4 實驗研究

圖8所示是按照文中提出的ZVS混合式開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)制作的實驗樣機。樣機開關(guān)的額定容量為640 V/2 500 A，樣機中使用的快速熔斷器的額定電流為250 A，通態(tài)電阻為0.49 mΩ。

圖8 實驗樣機外形圖

短路實驗電路如圖9所示。通過降壓變壓器將上萬伏高壓降壓后通過整流橋M得到640 V模擬電網(wǎng)電壓。實驗時通過控制高壓側(cè)開關(guān)K時間長度為55 ms的導(dǎo)通時間來模擬直流電網(wǎng)短路狀態(tài)。模擬電網(wǎng)的短路預(yù)期電流峰值為100 kA，短路電流時間常數(shù)為4.17 ms。

圖9 短路實驗電路圖

短路實驗結(jié)果示波圖如圖10所示。從實驗結(jié)果可知，短路電流峰值被限制在9.87 kA，從短路到電流峰值的時間為0.54 ms。從短路到快速熔斷器開始建立弧壓的時間約為150 μs，此時可以認為電磁斥力機構(gòu)支路上的電流已經(jīng)完全換流到快速熔斷器上，快速熔斷器燃弧弧壓峰值為1.37 kV。從開始短路到短路電流被截止整個過程的時間為1.17 ms。

圖10 短路實驗示波圖

實驗表明，該ZVS型混合式限流開關(guān)對于直流電網(wǎng)短路故障能達到快速準確限流的要求。

5 結(jié)束語

通過分析比較ZVS和ZCS型混合式開關(guān)的原理和特性，給出了一種新型的ZVS混合式直流限流開關(guān)方案和電路拓撲結(jié)構(gòu)。分析了其設(shè)計結(jié)構(gòu)，并說明了其工作的各物理過程，對混合式開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)：超快速電磁斥力機構(gòu)的設(shè)計進行了分析。 實際研制出640 V/2 500 A的限流開關(guān)器樣機，完成了模擬直流電網(wǎng)突然短路限流實驗，實際限流結(jié)果證明所設(shè)計限流開關(guān)動作快速準確，能有效抑制短路電流。

[1] 梅軍，鄭建勇，胡敏強,等.基于IGBT軟關(guān)斷的混合式限流斷路器結(jié)構(gòu)與分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(18):59-62.

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