一種改進(jìn)型真空直流限流斷路器研究

龍 潤(rùn)，劉 擘

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

一種改進(jìn)型真空直流限流斷路器研究

龍 潤(rùn)，劉 擘

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

分析了強(qiáng)迫關(guān)斷型真空直流斷路器的工作原理，采用在真空滅弧室兩端反并續(xù)流二極管的方法，推遲了真空滅弧室電流過(guò)零后兩端反向電壓出現(xiàn)的時(shí)間，提高了真空滅弧室電流的過(guò)零關(guān)斷的可靠性。對(duì)該直流限流斷路器系統(tǒng)進(jìn)行理論分析仿真，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，說(shuō)明該限流斷路器方案準(zhǔn)確、可行。

真空直流斷路器 仿真

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市用電負(fù)荷的增加，對(duì)電力系統(tǒng)的容量需求越來(lái)越高。在美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已越來(lái)越多地采用直流輸電。為了限制直流短路電流，保護(hù)用電設(shè)備的安全，亟需研制限流能力強(qiáng)、可靠高的直流斷路器[1]。

基于功率半導(dǎo)體的直流斷路器動(dòng)作速度快、限流效果好且不產(chǎn)生電弧，理論上可無(wú)限次重復(fù)使用。但是功率半導(dǎo)體的導(dǎo)通壓降高、熱損耗大，且價(jià)格昂貴，難以在大容量系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[2]。

采用電流轉(zhuǎn)移原理使交流真空滅弧室中的電流強(qiáng)迫過(guò)零關(guān)斷是另外一種關(guān)斷直流電流的有效方法，該方法近年來(lái)在國(guó)際上得到了大量關(guān)注，俄羅斯、以色列、日本、中國(guó)[3-6]均有相關(guān)的研究報(bào)道。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了額定1500 V/4000 A的直流限流斷路器，可開斷預(yù)期電流峰值50 kA，上升率3 A/μs的短路電流。其觸頭操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用永磁機(jī)構(gòu)，用一根操縱桿按照不同的杠桿比，對(duì)兩臺(tái)真空滅弧室進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在主回路滅弧室開斷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)反向電流回路滅弧室的閉合。該方案同樣存在分閘時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（3.6 ms）的問(wèn)題。

1 強(qiáng)迫關(guān)斷型真空直流限流斷路器工作原理

強(qiáng)迫關(guān)斷型真空直流限流斷路器一般由三個(gè)并聯(lián)的支路組成，包括真空滅弧室及其高速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)支路、強(qiáng)迫關(guān)斷支路、能量吸收支路，如圖1虛線方框內(nèi)所示。正常工作時(shí)電流從真空滅弧室支路流過(guò)。由于真空滅弧室觸頭接觸電阻比較小，可以長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)較大額定電流而不產(chǎn)生過(guò)大的熱損耗。當(dāng)需要分?jǐn)鄷r(shí)或線路中出現(xiàn)故障時(shí)，控制器檢測(cè)出故障后給真空滅弧室觸頭高速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，如圖2所示的(a)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一定的機(jī)械延時(shí)后真空滅弧室觸頭在(b)點(diǎn)打開并產(chǎn)生電弧。此時(shí)電流繼續(xù)從真空滅弧室上流過(guò)，(c)點(diǎn)時(shí)晶閘管TH2導(dǎo)通，預(yù)先充好電的電容C1通過(guò)晶閘管和電感L1向真空滅弧室放電形成與主回路電流方向相反的脈沖電流。當(dāng)反向脈沖電流幅值大于短路電流時(shí)，真空滅弧室中的電流減小到零，即圖中(d)點(diǎn)。由于真空滅弧室在電流過(guò)零點(diǎn)具有極強(qiáng)的熄弧能力，電流一旦過(guò)零電弧便很快熄滅，電路中剩余的能量由壓敏電阻MOV支路吸收。

圖1 真空直流斷路器工作原理

圖2 真空直流斷路器關(guān)斷過(guò)程

強(qiáng)迫關(guān)斷型真空直流斷路器能否成功關(guān)斷直流電流的關(guān)鍵在于真空滅弧室過(guò)零熄弧的可靠性，采用圖1所示原理的斷路器，在滅弧室電流過(guò)零瞬間，電容C1的剩余電壓會(huì)直接加于滅弧室兩端，即圖2所示的V1，特別是當(dāng)關(guān)斷電流較小時(shí)該電壓會(huì)接近C1的充電電壓，滅弧室在該反向電壓的作用下容易反向擊穿而使電流關(guān)斷失敗。為了解決該問(wèn)題本文在真空滅弧室兩端并聯(lián)了反向的續(xù)流二極管，如圖3所示。當(dāng)真空滅弧室中的電流在反向電流作用下強(qiáng)迫過(guò)零時(shí)，由于反并續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，真空滅弧室獲得了一段零電壓的絕緣恢復(fù)時(shí)間，直到反向關(guān)斷回路電流小于主回路電流時(shí)D1截止。

2 改進(jìn)型斷路器原理分析及仿真

圖3所示為改進(jìn)型真空直流斷路器原理圖，D1為滅弧室兩端反并二極管， D2為關(guān)斷電感的續(xù)流二極管，R3、C3和D3構(gòu)成的RCD緩沖電路用于抑制晶閘管TH截止時(shí)兩端出現(xiàn)的過(guò)電壓。

圖3 改進(jìn)型真空直流限流斷路器結(jié)構(gòu)

假設(shè)正常工作時(shí)主回路電流為I0，在t0時(shí)刻發(fā)生短路故障且電流以上升率di/dt=k的速度增大，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的檢測(cè)判斷后給高速觸頭機(jī)構(gòu)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，真空滅弧定動(dòng)靜觸頭經(jīng)一定的機(jī)械延時(shí)后分離，設(shè)該時(shí)刻為t1，同時(shí)反向電流在t1時(shí)刻發(fā)出，則有

依據(jù)實(shí)際線路參數(shù)，運(yùn)用EMTP仿真軟件對(duì)圖3所示結(jié)構(gòu)的限流斷路器進(jìn)行仿真，用脈沖電容放電來(lái)模擬短路故障，仿真參數(shù)如表1所示。

當(dāng)主回路電流大于800 A時(shí)斷路器認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生短路故障，控制器對(duì)高速觸頭機(jī)構(gòu)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，真空滅弧室動(dòng)靜觸頭分離，同時(shí)反向強(qiáng)迫關(guān)斷回路發(fā)出反向關(guān)斷脈沖電流，當(dāng)脈沖電流大于主回路電流時(shí)反并二極管導(dǎo)通，如圖4曲線4所示，當(dāng)反向關(guān)斷脈沖電流衰減至小于主回路電流時(shí)反并二極管截止，之后主回路向關(guān)斷電容反向充電，當(dāng)電容C1電壓大于電源電壓時(shí)，主回路電流開始下降，當(dāng)觸頭兩端電壓上升至壓敏電阻的動(dòng)作值時(shí)，壓敏電阻導(dǎo)通吸收儲(chǔ)存于線路電感中的能量。仿真結(jié)果表明，在故障電流上升率3 A/μs時(shí)，斷路器能將主回路電流峰值限制為1450 A，斷路器兩端過(guò)電壓峰值約1500 V，滅弧室的零電壓恢復(fù)時(shí)間約80 μs。

表1 改進(jìn)行限流斷路器仿真參數(shù)

圖4 真空直流斷路器仿真結(jié)果

3 短路分?jǐn)嘣囼?yàn)

在實(shí)驗(yàn)室完成了短路分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)，利用脈沖電容放電來(lái)代替直流短路上升電流，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖5所示，其中C0為主回路電容，TH為主回路導(dǎo)通晶閘管，TH兩端反并了二極管D0，R0、L0分別為主回路電阻和電感，具體試驗(yàn)電路參數(shù)與表1所列參數(shù)一致。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 短路分段實(shí)驗(yàn)原理圖

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用電流轉(zhuǎn)移原理可以迫使真空滅弧室電流過(guò)零，進(jìn)而成功地開斷短路電流。在滅弧室兩端反并的續(xù)流二極管可使滅弧室在電流截止后獲得一段零電壓恢復(fù)時(shí)間，保證滅弧室關(guān)斷的可靠性，續(xù)流二極管截止后，關(guān)斷電容被反向充電，當(dāng)反向充電電壓超過(guò)壓敏電阻動(dòng)作的域值后，壓敏電阻起作用，關(guān)斷電容電壓不再上升，關(guān)斷電流與主回路電流不再重疊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真基本一致。

圖6 限流分?jǐn)嘣囼?yàn)波形

4 結(jié)論

本文研究了基于真空滅弧室強(qiáng)迫關(guān)斷原理的直流限流斷路器，它利用真空滅弧室絕緣恢復(fù)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，采用電流轉(zhuǎn)移原理實(shí)現(xiàn)真空滅弧室直流電弧的強(qiáng)迫過(guò)零關(guān)斷。對(duì)此限流斷路器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，說(shuō)明該限流斷路器方案準(zhǔn)確、可行。

[1] 莊勁武, 張曉鋒, 楊 鋒, 等.船舶直流電網(wǎng)短路限流裝置的設(shè)計(jì)與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2005, 25(20) : 26-30.

[2] Polman H, Ferreira J A, Kaanders M, et al.Design of a bi-directional 600V/6kA ZVS hybrid DC switch using IGBTs[J].IEEE Trans. on Power Delivery, 2001, 16(2): 1052-1059.

[3] D.F. Alferov, V.P. Ivanov, V.A. Sidorov, "High-current vacuum switching devices for power energy storages", IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 35, pp.323-327, Jan. 1999.

[4] A Hybrid Repetitive Opening Switch For Inductive Storage Systems And Protection Of DC Circuits

[5] Implementation Aspects of DC Hybrid Opening Switch

[6] Odaka, H., M. Yamada, et al. (2007). "DC interruption characteristic of vacuum circuit breaker." Electrical Engineering in Japan 161(1): 17-25.

[7] 董恩源, 叢吉遠(yuǎn), 鄒積巖, 等.1500 V船用新型直流斷路器的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24（5）: 153-156.

Research on a Modified DC Vacuum Current Limiting Circuit Breaker

Long Run, Liu Bo
(Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China )

The working principle of forced on-off DC vacuum switch is analyzed. By using the vacuum arcing chamber at both ends and fly-wheel diode, reverse voltage on both ends is delayed after the current of the vacuum arcing chamber is zero, and the reliability that arcing chamber at zero current is required to be shut off is improved. By theoretical analysis and simulation of the DC current limiting circuit breaker system, the experimental results are consistent with theoretical analysis, and show that the current limiting circuit breaker is accurate and feasible.

DC vacuum switch; simulation

TM46

A

1003-4862（2015）06-0075-03

2015-04-12

龍潤(rùn)（1987-），男，助理工程師。研究方向：電氣工程。