一種新型混合式直流限流斷路器的原理與驗(yàn)證

王云河

（海軍駐七一二所軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

到目前為止，機(jī)械式斷路器依然是中高壓電力系統(tǒng)中應(yīng)用的最廣泛的保護(hù)設(shè)備。然而，這種依靠熄弧方式實(shí)現(xiàn)電路分?jǐn)嗟臄嗦菲髟谙到y(tǒng)應(yīng)用中暴露出了許多問(wèn)題，影響電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

得益于大功率半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，使用半導(dǎo)體器件替代斷路器中的機(jī)械部分成為了可能。盡管這種基于半導(dǎo)體器件的固態(tài)斷路器具備了無(wú)弧、快速的優(yōu)良分?jǐn)嘈阅躘1]，但是因半導(dǎo)體器件的通態(tài)損耗較大，阻礙了固態(tài)斷路器的發(fā)展。

混合式斷路器將快速機(jī)械開(kāi)關(guān)和半導(dǎo)體器件集成在一起，利用機(jī)械開(kāi)關(guān)導(dǎo)通正常負(fù)載電流以降低通態(tài)損耗，利用與之并聯(lián)的半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)電流的快速分?jǐn)啵瑢⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)避免了各自的缺點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景[2]。圖1所示的基于IGCT的零電壓混合式斷路器已經(jīng)在中低壓系統(tǒng)進(jìn)行了成功的應(yīng)用[3]。但是受制于功率半導(dǎo)體器件有限的電壓電流等級(jí)，要想進(jìn)一步提高斷路器的容量，需要將半導(dǎo)體器件進(jìn)行串并聯(lián)應(yīng)用，然而這種應(yīng)用還有很多技術(shù)難題有待解決。

圖1 基于IGCT的零電壓開(kāi)關(guān)

鑒于此，本文介紹了一種基于IGCT和晶閘管的新型混合式限流分?jǐn)喾桨?，能顯著提高設(shè)備的容量和電壓等級(jí)。

1 新型混合式限流斷路器

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新型混合式限流斷路器的主要設(shè)計(jì)思想是將快速機(jī)械開(kāi)關(guān)和功率半導(dǎo)體器件串聯(lián)起來(lái)共同承擔(dān)電壓，并利用半導(dǎo)體器件關(guān)斷時(shí)在壓敏電阻上產(chǎn)生的過(guò)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的迅速轉(zhuǎn)移，最終達(dá)到無(wú)弧快速限流分?jǐn)嗟哪康?。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由5個(gè)單元組成。

1） 主開(kāi)關(guān)單元由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)S構(gòu)成，要求其通態(tài)損耗極小，并能在斷路器分?jǐn)嚯娐泛?，承受全部的系統(tǒng)電壓。

2） 串聯(lián)換流單元由大功率半導(dǎo)體器件 IGCT和與之并聯(lián)的壓敏電阻MOV構(gòu)成，用以向主電流通路中插入高值阻抗，并迫使電流向并聯(lián)換流單元轉(zhuǎn)移。IGCT因其優(yōu)良的硬關(guān)斷能力和相對(duì)較小的通態(tài)壓降而成為本方案中的理想選擇。MOV將IGCT的關(guān)斷過(guò)電壓鉗制在其安全范圍以內(nèi)，并聯(lián)換流回路以此電壓為激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)電流的快速轉(zhuǎn)移。

3） 并聯(lián)換流單元由大功率晶閘管T構(gòu)成，在主開(kāi)關(guān)S可靠分?jǐn)嘀?，提供電流通路，S分?jǐn)嘀?，分?jǐn)嚯娏鳌?/p>

4） 限流單元由限流電感 L和限流電阻 R構(gòu)成，L一方面用來(lái)產(chǎn)生高頻振蕩電流，為晶閘管的關(guān)斷提供電流零點(diǎn)，另一方面限制晶閘管中的電流上升率di/dt。R將系統(tǒng)短路故障電流限制在一定水平，以滿足系統(tǒng)選擇性保護(hù)的要求。

5） 儲(chǔ)能單元由脈沖電容器 C構(gòu)成，在產(chǎn)生高頻振蕩電流關(guān)斷晶閘管的過(guò)程中，吸收系統(tǒng)短路故障時(shí)線路電感中存儲(chǔ)的能量。

圖2 新型混合式限流斷路器拓?fù)?/p>

如果方案中沒(méi)有限流電阻 R，那么它就是一個(gè)快速斷路器，將在晶閘管T電流過(guò)零關(guān)斷后完成電路的分?jǐn)?。如果將R投入，它將作為限流器限制系統(tǒng)短路電流，并與配套的斷路器一起保護(hù)系統(tǒng)安全。

1.2 工作原理

1） 在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān) S閉合，IGCT導(dǎo)通，負(fù)載電流從S和IGCT中流過(guò)。

2） 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，同時(shí)發(fā)出IGCT關(guān)斷信號(hào)、開(kāi)關(guān)S分?jǐn)嘈盘?hào)和晶閘管T開(kāi)通信號(hào)。

3） IGCT經(jīng)過(guò)幾個(gè)微秒延時(shí)后進(jìn)入電流下降階段，系統(tǒng)電流迅速轉(zhuǎn)移至壓敏電阻MOV當(dāng)中，器件兩端的電壓被壓敏電阻MOV限制在飽和值U0，在電壓U0的作用下，晶閘管 T正偏導(dǎo)通，LC強(qiáng)迫換流回路迫使電流迅速?gòu)闹鏖_(kāi)關(guān)單元向并聯(lián)換流單元轉(zhuǎn)移。

4） 在機(jī)械開(kāi)關(guān)S電流減小到零以后，觸頭才會(huì)開(kāi)始分離，從而實(shí)現(xiàn)零電流分?jǐn)?，分?jǐn)噙^(guò)程沒(méi)有電弧產(chǎn)生。

5） 此后，LC換流回路串入系統(tǒng)工作，電容C吸收系統(tǒng)電感中存儲(chǔ)的能量，當(dāng)能量完全轉(zhuǎn)移至C中以后，電容電壓達(dá)到最大，系統(tǒng)電流減小為零，晶閘管T自然關(guān)斷，斷路器分?jǐn)噙^(guò)程結(jié)束。

6） 若將限流電阻R投入，那么在電流轉(zhuǎn)移至并聯(lián)換流單元以后，隨著電容電壓的不斷增加，系統(tǒng)電流將逐漸從電容C轉(zhuǎn)移至電阻R當(dāng)中，并最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值US/（R+RS）（其中US為系統(tǒng)母線電壓，RS為等效線路電阻），實(shí)現(xiàn)限制短路電流的目的。

1.3 與傳統(tǒng)混合式斷路器比較

從上述分析不難發(fā)現(xiàn)，新型混合式限流斷路器由半導(dǎo)體器件IGCT和機(jī)械開(kāi)關(guān)S共同承受電壓，巧妙利用IGCT關(guān)斷時(shí)壓敏電阻的鉗位電壓來(lái)激勵(lì) LC強(qiáng)迫換流回路完成電流的轉(zhuǎn)移，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1） 能顯著提高斷路器的容量和電壓等級(jí)。

2） 與傳統(tǒng)的零電流開(kāi)關(guān)相比，不必再為電容C進(jìn)行預(yù)充電，省去了復(fù)雜的充電電路。

3） 與傳統(tǒng)的零電壓開(kāi)關(guān)相比，不再依靠電弧壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)移，電流的轉(zhuǎn)移過(guò)程更加迅速。

2 仿真驗(yàn)證

為了對(duì)限流斷路器的工作過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，本文在Matlab/Simulink中建立了系統(tǒng)仿真模型。仿真參數(shù)為：系統(tǒng)電壓US=5000 V，線路電感LS=150 μH，線路電阻RS=40 mΩ，換流電感L=15 μH，儲(chǔ)能電容C=100 μF，限流電阻R=1 Ω，壓敏電阻殘壓U0=3000 V?？焖俜?jǐn)喾抡娼Y(jié)果如圖3所示，限流仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看出，系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，當(dāng)短路電流上升到約3500 A時(shí)，同時(shí)發(fā)出IGCT關(guān)斷信號(hào)、S分?jǐn)嘈盘?hào)和晶閘管開(kāi)通信號(hào)，MOV將IGCT關(guān)斷過(guò)電壓鉗制在3000 V左右，并靠此電壓迫使 S中電流向晶閘管中轉(zhuǎn)移；大約經(jīng)過(guò) 20 μs，電流完全轉(zhuǎn)移至晶閘管當(dāng)中，因?yàn)閷?shí)際的 S最快也需要 100 μs才能進(jìn)入觸頭的有效分離階段，因此能真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械開(kāi)關(guān)的無(wú)弧分?jǐn)唷?/p>

在沒(méi)有限流電阻R時(shí)，當(dāng)電流完全轉(zhuǎn)移至晶閘管中后，晶閘管隨著二階電路振蕩電流過(guò)零而關(guān)斷，至此分?jǐn)噙^(guò)程結(jié)束。整個(gè)分?jǐn)噙^(guò)程用時(shí)約400 μs，系統(tǒng)出現(xiàn)的短路電流峰值僅有5100 A，電容C因吸收能量而使電壓達(dá)到了11.3 kV。

有限流電阻R時(shí)，當(dāng)電流完全轉(zhuǎn)移至晶閘管中后，二階電路經(jīng)過(guò)一個(gè)暫態(tài)過(guò)程，將系統(tǒng)短路電流穩(wěn)定在了約5000 A。整個(gè)限流過(guò)程用時(shí)大約1 ms，系統(tǒng)出現(xiàn)的短路電流峰值約為5900 A，電容電壓峰值約為5500 V。

圖3 快速分?jǐn)喾抡娼Y(jié)果

3 結(jié)論

基于大功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的混合式斷路器為電力系統(tǒng)提供了全新的保護(hù)理念，然而受半導(dǎo)體器件功率等級(jí)所限，傳統(tǒng)的混合式斷路器很難進(jìn)一步提高電壓電流等級(jí)。本文研究的新型混合式斷路器利用 IGCT和機(jī)械開(kāi)關(guān)共同承受電壓，能顯著提高設(shè)備容量和電壓等級(jí)，并能真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械開(kāi)關(guān)的無(wú)弧分?jǐn)??？焖俜謹(jǐn)喾抡娼Y(jié)果表明，斷路器能在400 μs時(shí)間內(nèi)完成電路分?jǐn)?，并將短路電流峰值限制?100 A。限流仿真結(jié)果表明，限流器能在1 ms時(shí)間內(nèi)將短路電流限制在穩(wěn)定值5000 A，限流過(guò)程出現(xiàn)的短路電流峰值約為5900 A。

圖4 限流仿真結(jié)果

[1] Christoph Meyer, Rik W. Design of a novel low loss fault current limiter for medium voltage systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2004,（3）:1825-1831.

[2] Jean-Marc Meyer ,Alfred Rufer. A DC hybrid circuit breaker with ultra-Fast contact opening and integrated gate-commutated thyristors [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21（2）:646-651.

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

[4] Peter M.McEwan. A two-stage DC thyristor circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,1997, 12（4）:597-607.