高速開斷器的10 kV/10 kA介質(zhì)恢復試驗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

袁志方，莊勁武，王 晨，陳 搏，江壯賢

（1.海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033；2.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005）

0 引言

介質(zhì)恢復特性是直接決定高速開斷器能否成功分斷故障短路電流的重要性能指標[1-3]。在高速開斷器的研發(fā)過程中，不可避免地要進行大量的介質(zhì)恢復特性測試試驗。因此，開發(fā)出一套能夠全面、真實地反映高速開斷器介質(zhì)恢復性能的試驗系統(tǒng)非常有意義[4-6]。

現(xiàn)階段用于短路保護裝置性能檢測的試驗方法主要有合成試驗法與直接試驗法[7-8]2種。合成試驗法的基本思想為交流斷路器在分斷過程中按分斷時序動作，大電流和高電壓不是同時作用在斷路器上，從而使得使用2套電源（電流回路提供弧前的大短路電流，電壓回路提供弧后的高恢復電壓）成為一種可能。按照電流源、電壓源差別來分類，國內(nèi)外的合成試驗回路主要有3類。

a.LC振蕩回路作為電壓源，發(fā)電機提供短路電流，西安高壓電器研究所的合成回路、ABB公司的EPIC 回路[9]、日立公司的合成回路[10]均屬此類。

b.LC振蕩回路作為電壓源，電網(wǎng)提供短路電流，沈陽虎石臺試驗站采用該種回路。

c.電壓源和電流源均為LC振蕩回路，諸多高校的中、小型實驗室都采用這種方式[11-12]。

對象為高速開斷器[13-15]的介質(zhì)恢復試驗與對象為交流開關(guān)設備[16-18]的合成試驗在電流作用階段是相似的，其區(qū)別有3點：

a.前者需要為試品高速開斷器制造人工電流零點，并且在所要求的介質(zhì)恢復時間內(nèi)一直保持零電流，而后者存在電流自然過零點；

b.前者要求在電流源作用結(jié)束后，經(jīng)過指定的介質(zhì)恢復時間后再投入電壓源，而后者的電流源與電壓源的切換是沒有時間間隔的；

c.前者的電壓源模擬的是滅弧熔斷器的弧壓，而后者的電壓源模擬的是線路的瞬態(tài)恢復電壓（TRV）[19-20]及穩(wěn)態(tài)恢復電壓[21-22]。

綜上，合成試驗法無法直接應用于高速開斷器的介質(zhì)恢復試驗，而采用直接試驗法進行直流限流熔斷器的分斷試驗，主要問題在于成本太高。

本文根據(jù)高速開斷器對于介質(zhì)恢復試驗提出的需求，設計了包含電流回路、自然換流回路以及高電壓回路的10 kV/10 kA試驗系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)有效地解決了直接試驗法進行直流限流熔斷器的分斷試驗成本高和傳統(tǒng)的合成試驗法不適用于直流限流熔斷器的現(xiàn)實問題。已完成的試驗系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟性與針對性，不但可以有效地降低直流限流熔斷器在研制過程中的試驗成本，而且可以滿足直流限流熔斷器的研發(fā)和性能檢測的要求。

1 10 kV/10 kA自然換流型介質(zhì)恢復試驗系統(tǒng)方案

1.1 高速開斷器與直流限流熔斷器

混合型直流限流熔斷器由故障短路電流檢測裝置、高速開斷器以及滅弧熔斷器組成，具體見圖1。

混合型直流限流熔斷器的工作原理是：在檢測到故障短路電流之后，高速開斷器進行線路開斷動作，將主電路故障短路電流轉(zhuǎn)移至滅弧熔斷器；在電流轉(zhuǎn)移完畢之后，高速開斷器進入介質(zhì)恢復階段；在滅弧熔斷器的弧前時間結(jié)束之后，建立較高幅值的電弧電壓加載在高速開斷器兩端，從而考察高速開斷器的介質(zhì)恢復狀態(tài)，其是成功分斷故障短路電流的關(guān)鍵因素之一。

1.2 需求分析

圖2中，i為通過高速開斷器的電流，u1、u2分別為介質(zhì)恢復失敗、成功的加載電壓。從中可以看到高速開斷器介質(zhì)恢復試驗的過程是比較特殊的，按時序可分為大電流階段、介質(zhì)恢復階段以及高電壓階段3個作用過程。

圖2 某高速開斷器介質(zhì)恢復試驗波形示意圖Fig.2 Waveforms of dielectric recovery test for a high-speed isolator

由這3個作用過程，總結(jié)出高速開斷器試品對于介質(zhì)恢復試驗系統(tǒng)有3個較為特殊的需求：

a.制造人工電流零點，并且在所要求的介質(zhì)恢復時間內(nèi)一直保持零電流；

b.電流源作用結(jié)束后，經(jīng)過指定的介質(zhì)恢復時間后再投入電壓源；

c.電壓源模擬的是滅弧熔斷器的弧壓。

1.3 10kV/10kA自然換流型介質(zhì)恢復試驗系統(tǒng)方案

對象為高速開斷器的10 kV/10 kA自然換流型介質(zhì)恢復試驗系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。

試驗系統(tǒng)主要由電流回路、自然換流回路、高電壓回路三部分構(gòu)成。電流回路與自然換流回路配合，滿足1.2節(jié)中的需求a；自然換流回路與高電壓回路配合，滿足1.2節(jié)中的需求b；高電壓回路滿足1.2節(jié)中的需求c。

圖3 10 kV/10 kA自然換流型介質(zhì)恢復試驗系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of 10 kV/10 kA natural current-commutation dielectric recovery test system

電流回路的主要構(gòu)成為：低壓電容組C0、回路導通晶閘管VT0、電感L0和續(xù)流二極管VD0。其中，電容C0充電至指定電壓后與電感L0配合，產(chǎn)生符合試驗要求的初始電流上升率di/dt；電流回路是否開始進行短路試驗，由晶閘管VT0控制，為防止晶閘管VT0損壞，在其兩端反并聯(lián)二極管；續(xù)流二極管VD0的主要作用為保護晶閘管VT0與低壓電容組C0。

自然換流回路的主要構(gòu)成為：串聯(lián)二極管組件VD1、換流晶閘管 VT1、后備保護避雷器（MOV）。 其中，串聯(lián)二極管組件的作用為隔離高壓回路與電流回路；晶閘管VT1的作用為控制試品起弧后的開始換流時間；MOV的作用為在串聯(lián)二極管組件隔離作用失效時，避免高壓回路可能對電流回路造成的擊穿損壞。

高壓回路的主要構(gòu)成為：高壓電容C2、點火球隙（Gap）、高壓回路電阻R2、升壓整流充電回路。在升壓整流充電回路為電容C2充電至所需電壓之后，C2可在后期為試品提供恢復電壓；點火球隙的作用為導通高壓回路；電阻R2的作用為在試品擊穿后，防止回路電路的電流過大，且在控制R2的阻值之后，其對于后期試品的恢復電壓的加載基本沒有影響；高壓開關(guān)SW與電阻R5支路可用于系統(tǒng)緊急放電，以及合成試驗結(jié)束后高壓回路電容C2上殘余電壓的釋放。

試驗中，事先將電流回路電容C1及高壓回路電容C2分別充電至所需電壓值UC1、UC2。然后觸發(fā)導通電流回路晶閘管，電流回路開始對試品短路放電，在預期初始電流上升率的作用下，試品起弧。

根據(jù)不同的控制策略，控制換流回路晶閘管的導通時間，晶閘管導通后，二極管、試品支路的電流開始轉(zhuǎn)移至晶閘管支路。控制換流支路的電阻值、電感值，可得到所需的換流時間。在換流結(jié)束后，試品進入介質(zhì)強度恢復階段。根據(jù)所需時延，并考慮點火球隙固有時延，可在試品熄弧后，經(jīng)所需時延再導通高壓回路，將略小于電容預充電壓的電壓加載至試品兩端（略小于預充電壓的原因主要是點火球隙有固有電壓降）。

2 電流回路關(guān)鍵技術(shù)

電流回路的取值直接決定了試品的弧前狀態(tài)，是高速開斷器的合成試驗中很重要的組成部分，現(xiàn)對其回路參數(shù)進行探討與約束。通常的試驗情況條件為已知某試品的額定電壓Ue、弧前為起弧時刻），要求進行指定di/dt條件下的短路試驗。在這種條件下，如何約束電流回路電容容量、電容充電電壓值、電感值？本文基于以下3點假設，得到相應的試驗參數(shù)取值方案。

a.電容充電至試品額定電壓的110%。

b.假定短路電流對稱開斷，即假定電弧電壓為額定電壓的2倍，且弧后電流以di/dt=Ue/L（L為電流回路電感）的速率衰減為0，弧壓在對應時刻降至試品額定電壓水平。

c.因為線路電阻、電感均未在計算中體現(xiàn)，因此，忽略在電容充電至試品額定電壓的110%后，電流上升率的變化。在計算過程中，電流上升率di/dt恒為 Ue/L。

在上述假設條件下，得到試驗參數(shù)的取值方案為：電容充電電壓取，

3 自然換流回路關(guān)鍵技術(shù)

自然換流回路中的MOV為電流回路的后備保護，二極管組件是回路間隔離的關(guān)鍵器件。

MOV的電氣要求為：當且僅當二極管組件損壞，無法實現(xiàn)高壓回路與低壓電流回路的隔離時，MOV實現(xiàn)限壓功能，確保低壓電流回路電氣安全。最大電流指標與最大吸收能量指標是MOV的主要選型依據(jù)。MOV僅在二極管組件損壞，無法實現(xiàn)高壓回路與低壓電流回路的隔離時實現(xiàn)限壓，那么，根據(jù)高壓回路的電路拓撲，可得到可能流經(jīng)MOV的最大電流波形。在正常的工況下，MOV兩端可能出現(xiàn)的最大電壓為試品的弧壓。只要MOV的額定電壓大于試品可能出現(xiàn)的最高的弧壓，就可以確保MOV在整個合成試驗系統(tǒng)處于正常工況時不發(fā)生動作。

在高速開斷器的介質(zhì)恢復試驗中，按試驗時序，串聯(lián)二極管組件在承受正向短路電流后，在高壓回路作用時，起到承受全部高壓回路電容電壓的作用，從而隔離高電壓回路、電流回路。

為確保串聯(lián)二極管組件的隔離作用，要求二極管組件的反向截止時間小于試品高速開斷器的介質(zhì)恢復時間，為此，開展了對于二極管反向恢復電荷的研究。本文針對某額定3500 A/3000 V的二極管，在高壓回路電容充電至1000 V、高壓回路電阻為10 Ω的前提下，統(tǒng)計不同換流時間條件下，二極管反向截止所需電荷量，并對獲取的數(shù)據(jù)點進行了數(shù)據(jù)擬合，如圖4所示。

圖4 二極管反向恢復電荷變化Fig.4 Variation of diode reverse recovery electric charge

介質(zhì)恢復時間與反向截止所需電荷之間的經(jīng)驗公式為：

其中，x為二極管反向截止時間；y為二極管反向恢復所需電荷量。隨著介質(zhì)恢復時間的增長，二極管反向截止所需電荷逐漸減??；在現(xiàn)有的試驗條件下，二極管反向截止所需電荷數(shù)的量級為mC級。

此外，局限于現(xiàn)階段的二極管制造水平，單只二極管是無法承受10 kV的恢復電壓的。為此，需要進行多只二極管的串聯(lián)，進而實現(xiàn)承受高電壓的預期工程目標。本文選用3只二極管來承受10 kV的過電壓，均壓效果波形見圖5。由波形可知3只二極管之間的最大分壓差值與總承受電壓的比例僅為5%，較小的分壓差值比例反映了良好的均壓效果。

圖5 二極管均壓效果波形圖Fig.5 Waveforms of diode voltage-sharing

4 高電壓回路關(guān)鍵技術(shù)

4.1 觸發(fā)電路

采用圖6所示的點火球隙觸發(fā)電路，其電容容量為35 μF。在觸發(fā)電路電容C充電至150 V的條件下，進行了點火球隙導通高壓回路的測試試驗，試驗波形見圖7，其中下面的波形圖為虛線內(nèi)波形的放大。

在晶閘管VT導通之后，將預充電壓150 V加載變壓器原邊。經(jīng)過78 μs的延時后，點火球隙導通線路，表現(xiàn)為10 kV側(cè)端電壓急劇下降。變壓器原邊出現(xiàn)電壓波形，至點火球隙兩端電壓下降的時延包括變壓器固有時延、觸發(fā)極與陰極之間起弧至點火球隙兩端起弧的固有時延。

圖6 點火球隙觸發(fā)電路Fig.6 Trigger circuit of ignition ball gap

圖7 點火球隙觸發(fā)導通試驗波形Fig.7 Experimental waveforms of ignition ball gap trigger

4.2 導通時延

點火球隙是高電壓回路的導通器件，它的導通性能對于高電壓回路的功能實現(xiàn)起著重要的作用。分析了在點火球隙間電壓為2000 V、球隙觸發(fā)回路電容容量為7.7 μF的前提下，不同儲能電容充電電壓對于點火球隙導通時延的影響，總結(jié)如表1所示。

表1 點火球隙導通時延對比Tab.1 Comparison of ignition ball gap trigger delay

由試驗結(jié)果可知，在觸發(fā)回路儲能電容充電電壓太小的情況下，點火球隙無法觸發(fā)導通；隨著點火球隙的觸發(fā)回路儲能電容充電電壓值的升高，點火球隙的觸發(fā)時延逐漸減??；在觸發(fā)回路儲能電容充電至一定電壓后，隨著充電電壓的增加，導通試驗的增加幅度變得不是很明顯了。

4.3 球隙間距

球隙間距是點火球隙的一個重要指標。點火球隙在高壓回路導通之前，兩端需承受全部的高壓回路電容電壓，這就要求球隙間距對應的電壓不能小于高壓回路電壓對應的擊穿電壓。下面針對不同的球隙間距對合成試驗的影響，進行試驗分析。

使用10 kV直流耐壓測試儀為點火球隙兩端提供電壓，根據(jù)對應的擊穿電壓來確定球隙間距。點火球隙間距對應的電壓為過流保護條件下的4700 V（電流設定為0.02 mA）。在這種球隙間距條件下，觸發(fā)回路儲能電容容量為35 μF，進行高速開斷器的合成試驗平臺的系統(tǒng)調(diào)試，其中高壓回路電容充電至1000 V。試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 大球隙間距下的試驗波形Fig.8 Experimental waveforms of big ignition ball gap

調(diào)整點火球隙的球隙間距，使其對應的電壓為長時間耐壓1500 V，而在高于1500 V的條件下則點火球隙被擊穿。其他條件不變，再次進行高速開斷器的合成試驗平臺的系統(tǒng)調(diào)試，試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 小球隙間距下的試驗波形Fig.9 Experimental waveforms of small ignition ball gap

對比圖8、9可見，在調(diào)整點火球隙的球隙間距后，高壓回路的電壓加載狀況有了明顯的改觀，主要體現(xiàn)在：點火球隙的電壓降從大于200 V降低至40 V；此外，電壓穩(wěn)定加載至試品上的時間增長，在后一次試驗中長達500 μs。

由上述對比試驗可知：在保證點火球隙被觸發(fā)前，球隙不被高壓回路電容電壓擊穿的前提下，減小點火球隙的球隙間距，能夠有效地保證單位間距內(nèi)的等離子濃度，從而使得點火球隙不易熄弧，且極大地降低了球隙間電壓降。

圖10反映的是電壓源模擬電壓波形與滅弧熔斷器弧壓波形之間的差異對比。從圖中可以看出，2種電壓波形基本吻合，可見電壓源提供的恢復電壓波形是可以模擬滅弧熔斷器弧壓波形的。

圖10 模擬電壓和弧壓的對比Fig.10 Comparison between simulative voltage and arc voltage

5 系統(tǒng)調(diào)試

本文以某試品進行了10 kV/10 kA條件下的系統(tǒng)調(diào)試試驗。

主電路各組成部分重要參數(shù)指標為：電流回路，C0容量為 70 mF、充電至 600 V，L0為 15 μH；試品并聯(lián)電容Ct容量為0.2 μF、額定電壓為10 kV；點火球隙觸發(fā)回路，儲能電容C4容量為35μF、充電至150V；高電壓回路，電容C2容量為10μF、充電電壓10kV，電阻 R2阻值 100 Ω。

試驗結(jié)果如圖11所示，圖11（b）波形為圖11（a）中虛線內(nèi)波形的放大。

圖11 10 kV/10 kA條件下的系統(tǒng)調(diào)試波形圖Fig.11 Waveforms of system commissioning under 10 kV/10 kA condition

通過本次試驗，獲取了10 kV/10 kA條件下介質(zhì)恢復失敗以及介質(zhì)恢復成功的試驗結(jié)果，試驗結(jié)果說明對象為高速開斷器的介質(zhì)恢復試驗系統(tǒng)具備了完成額定10 kV/10 kA高速開斷器介質(zhì)恢復試驗的能力。

6 結(jié)論

本文根據(jù)高速開斷器對于介質(zhì)恢復試驗提出的3點較為特殊的需求，設計了包含電流回路、自然換流回路以及高電壓回路的10 kV/10 kA介質(zhì)恢復試驗系統(tǒng)。分析了電流回路的電氣參數(shù)，確定了參數(shù)選取方案；提出了自然換流回路中的后備保護器件MOV的選型依據(jù)，總結(jié)了系統(tǒng)隔離器件串聯(lián)二極管組件的反向截止規(guī)律；進行了高電壓回路導通器件點火球隙的性能試驗。試驗系統(tǒng)有效地解決了直接試驗法進行直流限流熔斷器的分斷試驗成本高和傳統(tǒng)的合成試驗法不適用于直流限流熔斷器的現(xiàn)實問題。

通過10 kV/10 kA條件下系統(tǒng)調(diào)試，證實了對象為高速開斷器的介質(zhì)恢復試驗系統(tǒng)具備了完成額定10 kV/10 kA高速開斷器介質(zhì)恢復試驗的能力。試驗系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟性與針對性，不但可以有效地降低直流限流熔斷器在研制過程中的試驗成本，而且可以滿足直流限流熔斷器的研發(fā)和性能檢測的要求。