基于電磁斥力型開斷器的限流熔斷器設(shè)計與實驗

王 晨 莊勁武 袁志方 張 超 陳 搏 江壯賢

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著船舶、地鐵等獨立電力系統(tǒng)的容量迅速增長，電網(wǎng)中的短路電流水平日益提高，短路電流峰值可達(dá)到100kA 以上，且短路電流上升速率di/(dt)極高（超過20A/μs）。然而目前開關(guān)設(shè)備分?jǐn)嗄芰τ邢蓿覄幼鲿r間較長，難以在短路電流上升段將其分?jǐn)郲1,2]。在電網(wǎng)中裝設(shè)新型快速限流裝置是解決該類問題的理想方案，國內(nèi)外已開展了多種新型限流裝置研究，主要有超導(dǎo)限流器、固態(tài)限流器、快速限流斷路器、快速限流熔斷器等類型[3-7]。

快速限流熔斷器是將炸藥驅(qū)動的開斷器與熔斷器并聯(lián)使用的一種限流裝置，也是目前為止商用化應(yīng)用最廣泛的限流保護技術(shù)之一。按照其工作原理，快速限流熔斷器可分為電子測控式限流熔斷器和電弧觸發(fā)式限流熔斷器兩種[8-10]。

電子測控式限流熔斷器的代表性產(chǎn)品有 ABB公司的Is-limiter、Ferraz 公司的Pyristor、G&W 公司的Clip 等，其檢測觸發(fā)裝置均是通過電流傳感器檢測線路電流的幅值或變化率，當(dāng)超過設(shè)定值時由電子控制單元發(fā)出點火信號給爆炸式開斷器，開斷器分?jǐn)嗖㈦娏鬓D(zhuǎn)移到并聯(lián)的熔斷器上，由熔斷器最終將短路電流分?jǐn)?。這類產(chǎn)品的額定電壓最高可達(dá)到40.5kV，額定電流可到5kA，開斷電流可達(dá)到200kA 以上，在國內(nèi)外已有大量應(yīng)用[11,12]。但是由于該裝置故障檢測采用傳感器和電子電路，增加了許多中間環(huán)節(jié)，實際應(yīng)用中存在電磁干擾或元器件失效等因素造成誤動或拒動的可能性。

在文獻[13,14]中提出了一種電弧觸發(fā)式限流熔斷器方案，特點是采用電弧觸發(fā)器取代了電子傳感器和控制單元，直接利用短路電流的熱效應(yīng)作為短路檢測手段和觸發(fā)條件。發(fā)生短路時，電弧觸發(fā)器在短路電流作用下熔斷產(chǎn)生電弧，利用該電弧電壓引爆高速開斷器內(nèi)的炸藥并完成分?jǐn)唷ｋ娀∮|發(fā)式限流熔斷器提高了可靠性，無需控制電源，體積小，成本低，解決了電子測控式限流熔斷器所遇到的故障檢測環(huán)節(jié)的問題。

目前，上述兩種快速限流熔斷器中的開斷器大都是采用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊力來使其分?jǐn)嗟?，而炸藥存在易分解、不耐高溫、安全性低、價格昂貴等缺陷。針對炸藥型開斷器存在的問題，本文在文獻[14-16]已研制出的限流熔斷器基礎(chǔ)上對其開斷器進行了改進設(shè)計，提出了一種基于電磁斥力驅(qū)動型開斷器的限流熔斷器方案，開展了額定 320V/3kA直流限流熔斷器的設(shè)計及分析，進行了電磁斥力型開斷器的分?jǐn)鄿y速實驗和溫升實驗，最后通過短路分?jǐn)鄬嶒烌炞C了新方案的可行性。

2 基于新型高速開斷器的限流熔斷器方案

2.1 現(xiàn)有限流熔斷器方案及問題

電子測控式限流熔斷器以ABB 公司Is-limiter產(chǎn)品為代表，其基本組成如圖1 所示。正常工作時電流主要由銅質(zhì)的高速開斷器承擔(dān)，具有很低的通態(tài)損耗。當(dāng)發(fā)生短路時，電子式檢測觸發(fā)裝置中的電流傳感器檢測到短路故障，發(fā)出點火信號，引爆高速開斷器內(nèi)的炸藥，開斷器迅速斷開，迫使短路電流轉(zhuǎn)移到并聯(lián)的滅弧熔斷器上，滅弧熔斷器迅速熔斷，從而徹底切斷短路電流。

圖1 電子測控式限流熔斷器組成Fig.1 Electronic type current limiting fuse

電弧觸發(fā)式限流熔斷器如圖2 所示，其采用電弧觸發(fā)器取代傳感器和電子控制單元，直接利用短路電流的熱效應(yīng)作為短路檢測手段和觸發(fā)條件。發(fā)生短路時，觸發(fā)器中的熔體在短路電流作用下熔斷產(chǎn)生電弧，利用該電弧電壓引爆開斷器內(nèi)的炸藥并完成分?jǐn)?。該方案相對于電子測控式限流熔斷器而言，提高了集成度和可靠性，降低了成本。

圖2 電弧觸發(fā)式限流熔斷器組成Fig.2 Arc-triggering type current limiting fuse

然而無論是電子測控式限流熔斷器，還是電弧觸發(fā)式限流熔斷器，它們的高速開斷器都是依靠炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊力來進行驅(qū)動，使開斷器快速分?jǐn)鄬㈦娏鬓D(zhuǎn)移到滅弧熔斷器上。而采用炸藥驅(qū)動的局限性在于：①炸藥壽命有限，會隨使用時間的增長而逐漸分解失效；②炸藥等火工品的價格昂貴，每次動作后需要更換，經(jīng)濟性差；③對環(huán)境溫度要求苛刻；④短路分?jǐn)鄷r噪音大，且爆炸時會產(chǎn)生火花，在一些有易燃?xì)怏w的特殊場合使用時，需要封閉式箱體，整體體積較大。

2.2 基于新型高速開斷器的限流熔斷器方案

為了解決炸藥驅(qū)動型開斷器所存在的上述問題，本文在現(xiàn)有電弧觸發(fā)式限流熔斷器基礎(chǔ)上對其開斷器進行了改進設(shè)計，提出了一種采用電磁斥力原理的新型開斷器方案，并設(shè)計了基于該新型開斷器的限流熔斷器，其基本組成如圖3 所示。

圖3 基于電磁斥力開斷器的限流熔斷器組成Fig.3 Current limiting fuse based on electro-magnetic repulsion isolator

基于電磁斥力開斷器的限流熔斷器中的開斷器采用電磁斥力技術(shù)替代炸藥技術(shù)進行驅(qū)動，當(dāng)短路發(fā)生時，電弧觸發(fā)器給斥力驅(qū)動電路中的晶閘管F0觸發(fā)信號，電容C0向斥力線圈L0注入一個大脈沖電流i0，使斥力盤在電磁斥力作用下將開斷器中的銅橋打斷，實現(xiàn)斥力開斷器的快速分?jǐn)?。本文所提出的開斷器方案在文獻中還未見報道，相比于現(xiàn)有炸藥驅(qū)動型開斷器，該方案的驅(qū)動方式更加安全可靠，可重復(fù)使用。電磁斥力型開斷器可替代現(xiàn)有炸藥型開斷器在限流熔斷器中的各種應(yīng)用。

該限流熔斷器的分?jǐn)噙^程如圖4 所示，i為主回路電流，i1為開斷器支路電流，i2為滅弧熔斷器支路電流電流，u為限流熔斷器兩端電壓。正常工作時電流經(jīng)電弧觸發(fā)器和開斷器流通，發(fā)生短路后，電弧觸發(fā)器熔斷起?。╰0時刻），弧壓為U1。經(jīng)過觸發(fā)和機械延時td，斥力開斷器中銅橋被打斷，形成斷口并產(chǎn)生電弧，u上升至U2，電流開始向滅弧熔斷器支路轉(zhuǎn)移，換流時間為tc。當(dāng)換流結(jié)束后，電壓下降至電弧觸發(fā)器弧壓和滅弧熔斷器壓降之和。經(jīng)過一段時間tp，滅弧熔斷器上的短路電流焦耳積分值達(dá)到了其弧前I2t值后，滅弧熔斷器熔斷起?。╰3時刻），當(dāng)弧壓高于電源電壓Ue時，短路電流到達(dá)峰值并開始下降，最后電路完全分?jǐn)啵╰4時刻），兩端電壓等于Ue。

圖4 限流熔斷器分?jǐn)噙^程的典型電流、電壓波形Fig.4 Typical current and voltage waveforms of CLF

3 電磁斥力型開斷器設(shè)計及性能實驗

3.1 電磁斥力型開斷器設(shè)計

電磁斥力型開斷器設(shè)計時需要滿足的條件是其溫升性能和分?jǐn)嘈阅芏家咏騼?yōu)于原有的炸藥型開斷器性能。其中，溫升性能要求開斷器在通過額定電流時，端子處溫升在規(guī)范允許的范圍內(nèi)；分?jǐn)嘈阅芤箝_斷器中的橋體有足夠的分?jǐn)嗨俣?，在滅弧熔斷器分?jǐn)嗪螅到y(tǒng)出現(xiàn)過電壓時，開斷器中應(yīng)當(dāng)形成足夠的開距，而不被過電壓擊穿，防止開斷器兩極間電弧重燃。

本文設(shè)計的電磁斥力型高速開斷器結(jié)構(gòu)如圖5所示，正常工作時電流從上下兩根通流銅排 1、2和中間的銅橋3 上流過，通流支路總電阻在20μΩ以內(nèi)。短路發(fā)生時，給圖3 中的晶閘管F0觸發(fā)信號，預(yù)先充好電的電容C0向斥力線圈6 注入電流，在斥力盤5 上感應(yīng)出渦流并產(chǎn)生電磁斥力，斥力盤在斥力作用下向上運動，撞斷開斷器銅橋3 中間的銅柱，使銅柱快速進入上部空腔，形成所需開距。該開斷器的主要優(yōu)點在于用電磁斥力驅(qū)動方式代替了炸藥驅(qū)動方式，從而克服了原有炸藥型開斷器存在的諸多問題。

圖5 電磁斥力型高速開斷器剖面示意圖Fig.5 High speed electro-magnetic repulsion isolator

新型開斷器的斥力線圈及其驅(qū)動電路的參數(shù)設(shè)計參考了文獻[17-19]，由文獻[19]可知，斥力盤受到的電磁斥力F為

式中i0——斥力線圈電流；

ip——斥力盤上的感應(yīng)電流；

dM/(dz)——斥力線圈與斥力盤之間的互感M對斥 力盤位移z的導(dǎo)數(shù)。

式（1）表明F與i0、ip及dM/(dz)成正比。式（1）中電流i0為

式中UC0——C0的充電電壓；

L0——斥力線圈等效電感；

本文采用有限元仿真軟件Ansoft 建立了圖5 開斷器及其驅(qū)動電路的仿真模型，斥力線圈采用了雙層線圈串聯(lián)結(jié)構(gòu)。仿真中改變斥力驅(qū)動電路的電容C0取值，保持其充電電壓UC0為1650V，計算得出開斷器分?jǐn)噙^程中的電磁斥力F峰值、電流i0峰值、電流i0到達(dá)峰值的時間及開斷器平均速度等性能指標(biāo)見下表。

表 新型開斷器的動作特性仿真結(jié)果Tab. Moving characteristics of novel type isolator

為了使電磁斥力型開斷器達(dá)到與炸藥型開斷器相接近的分?jǐn)嗨俣?，根?jù)上表的仿真結(jié)果，本文設(shè)計了電容C0取300μF，充電電壓UC0取1650V，則斥力線圈電流i0峰值約7.2kA，此時開斷器的平均速度可以達(dá)到33m/s。

3.2 電磁斥力型開斷器分?jǐn)鄿y速實驗

為了準(zhǔn)確測量開斷器中銅橋分?jǐn)噙^程中初始分離所需的機械延遲時間和分?jǐn)嗨俣龋O(shè)計了如圖6所示的實驗電路。在電磁斥力開斷器兩端并聯(lián)了電阻R和電感L組成的換流支路。實驗時首先給F1觸發(fā)信號使其導(dǎo)通，電容C1(5mF)開始通過F1、開斷器、L1(31μH)放電，之后延時500μs 給斥力線圈驅(qū)動回路中晶閘管F0觸發(fā)信號，斥力線圈通電使開斷器分?jǐn)?，電流將轉(zhuǎn)移到由RL 組成的換流支路上，并聯(lián)RL 換流支路的作用是在開斷器分?jǐn)嗪髮崿F(xiàn)電流的轉(zhuǎn)移。

在開斷器銅橋運動的末端位置加裝兩個金屬觸片，兩個觸片外接24V的直流電源和限流電阻回路，如圖6 所示。開斷器分?jǐn)嗲跋蘖麟娮枭系碾妷簎1為零，當(dāng)開斷器中的銅橋運動到末端位置將兩個觸片接通時，限流電阻上的電壓u1立即躍升為電源電壓。實驗中測量主回路電流i，開斷器兩端電壓u，斥力驅(qū)動電路電流i0。

圖6 開斷器分?jǐn)鄿y速實驗電路Fig.6 Velocity measuring test circuit of isolator

本文共進行了兩次相同參數(shù)下開斷器的測速實驗，以觀測機構(gòu)的穩(wěn)定性，其中一次典型的實驗波形如圖7 所示。從斥力驅(qū)動電路的電流i0開始上升到開斷器兩端電壓u開始上升這段時間就是開斷器固有動作延遲時間，從圖 7 中可知該延遲時間為120μs。從開斷器兩端電壓u開始上升到限流電阻上的電壓u1開始上升之間的時間就是開斷器中銅橋從開始分?jǐn)嗟酵瓿煞謹(jǐn)嗟臅r間，再用總行程除以該時間就可以計算出開斷器中銅橋的分?jǐn)嗨俣?。由圖可知銅橋完成預(yù)留行程共耗時112μs，計算開斷器分?jǐn)噙^程的平均速度為28m/s，該速度和2.1 節(jié)的仿真結(jié)果相接近，且和文獻[14]中測得的炸藥型開斷器的平均速度30m/s 接近，表明電磁斥力型開斷器的分?jǐn)嗨俣瓤梢赃_(dá)到炸藥型開斷器的水平。另一次實驗中開斷器的動作延遲時間為112μs，完成預(yù)留行程的時間為108μs，兩次實驗結(jié)果較接近，差異在7%以內(nèi)，表明機構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性。

圖7 高速斥力開斷器的動作特性Fig.7 Moving characteristics of isolator

3.3 電磁斥力型開斷器溫升實驗

開斷器在額定通流下的溫升是一個十分重要的指標(biāo)。為了防止溫升過高造成絕緣部件老化，設(shè)計中將開斷器接線端子的溫升限定在90 K。對開斷器進行溫升實驗，在額定直流3kA 通流情況下，開斷器電阻13μΩ，功耗為120W。采用JK—8U 多路溫度巡檢儀測量了開斷器銅橋處的溫度、兩個接線端子處的溫度、室溫隨時間的變化，如圖8 所示。開斷器溫度在4h 后達(dá)到穩(wěn)定，接線端子處溫升為61K，內(nèi)部銅橋處的溫升為78K，溫升結(jié)果滿足船用電器規(guī)范要求。

4 限流熔斷器整機短路分?jǐn)鄬嶒?/h2>

為了進一步驗證所設(shè)計限流熔斷器方案的可行性和限流效果，開展了電源采用電容器組的限流熔斷器樣機短路分?jǐn)鄬嶒?，實驗電路如圖9a 所示。采用180mF 電容C1作為實驗電源，充電至900V，電感L1=200μH，控制F1導(dǎo)通C1放電模擬短路電流，預(yù)期短路電流峰值25kA，初始電流上升率4.5A/μs。限流熔斷器樣機由電磁斥力開斷器和熔斷器并聯(lián)組成。在樣機兩端還并聯(lián)了一個保護用晶閘管F2，其作用是在滅弧熔斷器開始分?jǐn)嗥鸹『蟮?ms 時觸發(fā)其導(dǎo)通，將短路電流轉(zhuǎn)移到F2上，防止發(fā)生樣機分?jǐn)嗍r流過開斷器的能量過大將樣機損毀。

實驗波形如圖9b 所示，用示波器測量了主回路電流i、樣機兩端電壓u，以及電壓u的放大波形uL。從圖中可以看出，電磁斥力開斷器在電流到達(dá)21kA 時開始分?jǐn)?，分?jǐn)嗪蟮幕悍逯导s22V，開斷器向滅弧熔斷器換流的時間為 60μs，換流完畢后80μs 滅弧熔斷器熔斷起弧，弧壓峰值為1 850V。實驗結(jié)果表明，所研制的基于電磁斥力開斷器的限流熔斷器成功實現(xiàn)了限流分?jǐn)?，進一步驗證了新方案的可行性及有效性。

5 結(jié)論

針對炸藥型開斷器存在的問題，本文在已研制出的限流熔斷器基礎(chǔ)上對其開斷器進行了改進設(shè)計，提出了一種基于電磁斥力型開斷器的限流熔斷器方案，開展了額定320V/3kA 直流限流熔斷器的設(shè)計與實驗，得到的主要結(jié)論有：

（1）電磁斥力開斷器在驅(qū)動電容C0取300μF，充電電壓UC0取1 650V 時，開斷器的固有動作延時時間為120μs，平均速度可以達(dá)到28m/s，達(dá)到炸藥型開斷器的性能水平。

（2）開斷器在額定直流3kA 通流情況下，開斷器電阻 13μΩ，功耗為120W，接線端子處溫升為 61K，內(nèi)部銅橋處的溫升為78K，滿足船用電器規(guī)范要求。

（3）限流熔斷器樣機在分?jǐn)嚯娏魃仙?.5A/μs短路電流時，開斷器分?jǐn)嗪蟮幕簽?2V，開斷器向滅弧熔斷器換流時間為60μs，滅弧熔斷器起弧電壓峰值為1 850V，實驗結(jié)果驗證了新方案的可行性及有效性。

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