淺談直流固態(tài)斷路器的應(yīng)用路徑

江朋飛

摘 要：斷路器是電網(wǎng)系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備，電網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)它起到控制和保護(hù)的作用。通俗的說(shuō)斷路器就相當(dāng)于開(kāi)關(guān)，而斷路器的性能與電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行是否安全息息相關(guān)。斷路器是按照極數(shù)和安裝方式進(jìn)行分類(lèi)的。直流固態(tài)斷路器從誕生伊始就表現(xiàn)出了良好的前景，已經(jīng)在很多領(lǐng)域中得到了推廣應(yīng)用。該文主要針對(duì)直流固態(tài)斷路器的發(fā)展與應(yīng)用路徑進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：直流固態(tài)斷路器 應(yīng)用路徑 分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TM561 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（c）-0049-02

目前，我國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)中主要使用的斷路器是機(jī)械斷路器，這種斷路器的優(yōu)點(diǎn)是可以穩(wěn)定導(dǎo)通、分?jǐn)嗳萘繌?qiáng)大，但它的缺點(diǎn)也不能忽視，如，分?jǐn)嚯娐芬ㄙM(fèi)幾十到幾百毫秒的時(shí)間，還有分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的電弧會(huì)損壞觸頭，斷路器開(kāi)關(guān)次數(shù)過(guò)多會(huì)減少它的使用壽命。隨著用電量的加大，直流供電系統(tǒng)常常處于超負(fù)荷狀態(tài)，同時(shí)人們對(duì)用電安全的要求也相應(yīng)的提高了，就更加關(guān)注開(kāi)關(guān)設(shè)備的分流能力，為了提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，需要大范圍推廣直流固態(tài)斷路器。

1 直流固態(tài)斷路器的發(fā)展

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，電力電子器件的技術(shù)方面也取得了很大的成功。舊的電力電子器件不斷地被淘汰，同時(shí)更好、更完美的新型電力電子器件不斷涌現(xiàn)，其中就包括了新型斷路器。新型斷路器有兩種：第一種是固態(tài)斷路器，它的組成器件全是半導(dǎo)體；第二種是混合式斷路器，顧名思義它的組成器件不僅僅是一種，它是由半導(dǎo)體和機(jī)械開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成的。

1.1 直流固態(tài)斷路器

新型固態(tài)斷路器是由半導(dǎo)體構(gòu)成的，是在原有的電力電子器件發(fā)展而來(lái)的。它完全解決了原有機(jī)械斷路器存在的問(wèn)題，開(kāi)關(guān)更加迅速，且開(kāi)關(guān)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電弧，也不會(huì)損壞觸頭，使用壽命更為長(zhǎng)久，還可以有效地減少智能控制裝置故障出現(xiàn)的次數(shù)。目前，關(guān)于直流固態(tài)斷路器的研究主要集中在直接分流與限流兩個(gè)方面。

直接分流型固態(tài)斷路器，它用的半導(dǎo)體器件有這樣的功能，可以不換流回路，究其根本原因，是由于其采用了具有強(qiáng)制關(guān)斷能力的全控型半導(dǎo)體器件GTO，電路的直接分?jǐn)嗑陀芍鏖_(kāi)關(guān)器件GTO完成。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，GTO就負(fù)責(zé)承載電流；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，就立刻關(guān)斷GTO，直接切斷電流，這能有效地減少故障所帶來(lái)的危害。限流型直流固態(tài)斷路器，它的主開(kāi)關(guān)與直接分流型不同，是半控型器件晶閘管，因此，要斷流還要通過(guò)LC才能夠?qū)崿F(xiàn)。

1.2 混合直流斷路器

混合直流斷路器兼?zhèn)潇o態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，靜態(tài)特性是融合機(jī)械斷路器靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性是融合半導(dǎo)體器件快速分?jǐn)嗵匦?。它不僅具備固態(tài)開(kāi)關(guān)和機(jī)械開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，還克服了兩者的缺點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，機(jī)械開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，并充當(dāng)導(dǎo)體使電流通過(guò)；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，觸發(fā)半導(dǎo)體器件IGBT導(dǎo)通來(lái)切斷故障電流，原因是半導(dǎo)體器件只有在發(fā)生故障時(shí)才會(huì)導(dǎo)通。這種功率器件在系統(tǒng)正常工作時(shí)是沒(méi)有損耗的，這不僅省去了巨大的冷卻系統(tǒng)，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。它還具備分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)間短，使用壽命長(zhǎng)，整個(gè)電路無(wú)關(guān)斷盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，甚至在零電流或零電壓的情況下也能分?jǐn)?。在零電流和零電壓情況下分?jǐn)嚯娏骺康氖橇汶娏骱土汶妷洪_(kāi)關(guān)，零電流開(kāi)關(guān)還能提高裝置的容量。

2 直流固態(tài)斷路器的應(yīng)用路徑

隨著人口數(shù)量的不斷增加，交通擁擠問(wèn)題開(kāi)始備受關(guān)注，為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)家開(kāi)始倡導(dǎo)人們綠色出行，不僅能節(jié)能減排，還能鍛煉身體，為此，各個(gè)城市在地鐵、輕軌的建設(shè)上都投入了巨大的成本。而我們現(xiàn)在的軌道交通牽引系統(tǒng)采用的是直流供電，艦船電力系統(tǒng)、冶金等工業(yè)領(lǐng)域也是直流電流。為了保證直流電流系統(tǒng)的可靠和安全，直流固態(tài)斷路器設(shè)備的應(yīng)用就尤為重要。此外，在新能源行業(yè)的發(fā)展下，風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等也得到了一定的發(fā)展，而它們都離不開(kāi)直流固態(tài)斷路器提供的保護(hù)。直流固態(tài)斷路器應(yīng)用范圍很廣，表現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。目前，雖然已經(jīng)研究出了多種類(lèi)型的超導(dǎo)限流器樣機(jī)，但是其性能還有待提升。

為了保證直流固態(tài)斷路器的應(yīng)用效果，必須要采取合理的控制與檢測(cè)方式，與交流領(lǐng)域相比，直流固態(tài)斷路器的檢測(cè)有著特殊之處，固態(tài)開(kāi)關(guān)集中在過(guò)零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)開(kāi)通與關(guān)斷，直流電流是不變的，遇到高壓大電流的情況，那個(gè)固態(tài)開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程中通態(tài)電流會(huì)大幅度上升，可能會(huì)損壞功率器件。實(shí)踐顯示，直流固態(tài)斷路器無(wú)論采用什么類(lèi)型的主開(kāi)關(guān)，都會(huì)存在電流過(guò)大的問(wèn)題，這也是目前需要解決的難題。為了解決這一問(wèn)題，可以將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用在固態(tài)斷路器中，借助回路的諧振作用來(lái)切換電壓與電流，避免對(duì)器件產(chǎn)生損耗，保證系統(tǒng)可以隨時(shí)處于安全的工作狀態(tài)。關(guān)于這一問(wèn)題，學(xué)界已經(jīng)展開(kāi)了深入研究，并取得了豐碩結(jié)果，這可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的具體要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

目前，德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始推廣直流輸電線(xiàn)路，在海上獨(dú)立鉆井平臺(tái)、地鐵與艦船中推廣了直流輸電系統(tǒng)，其對(duì)于直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行有了更高要求。在近些年來(lái)，輕型直流輸電技術(shù)得到了推廣，給固態(tài)斷路器的應(yīng)用帶來(lái)了更為廣闊的應(yīng)用前景。輕型直流電可以實(shí)現(xiàn)海上供電與偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電，為電網(wǎng)供電質(zhì)量的提高奠定了基礎(chǔ)。目前應(yīng)用比較多的是對(duì)海上獨(dú)立鉆井平臺(tái)的供電和清潔能源的發(fā)電（主要是風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電），這些場(chǎng)合大多采用的是輕型直流輸電而且電壓等級(jí)基本屬于中、低等級(jí)。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展下，世界各個(gè)國(guó)家也紛紛加入新能源發(fā)電的隊(duì)伍中，直流固態(tài)斷路器必然能夠得到更為廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

固態(tài)斷路器與機(jī)械斷路器相互比較，它不僅具備機(jī)械斷路器的優(yōu)點(diǎn)還克服它的缺點(diǎn)，將其應(yīng)用在電力系統(tǒng)中有效增強(qiáng)了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，加快了斷流的速度，延長(zhǎng)了它的使用壽命，節(jié)約了成本。直流固態(tài)斷路器從誕生伊始至今已經(jīng)有將近20年的時(shí)間，它的研發(fā)技術(shù)也取得了重大突破，攻克一個(gè)又一個(gè)難關(guān)，直流固態(tài)斷路器的性能越來(lái)越完善，在市場(chǎng)中得到了迅速普及。但是，受到它的構(gòu)成器件本身的限制，想要固態(tài)斷路器可以被更廣泛地應(yīng)用，技術(shù)人員還要攻克以下難點(diǎn)：（1）大功率半導(dǎo)體器件之間的串并聯(lián)問(wèn)題；（2）大功率半導(dǎo)體器件工作消損較大問(wèn)題；（3）如果固態(tài)斷路器損壞，如何快速、精確地進(jìn)行檢測(cè)；（4）如何提高大功率半導(dǎo)體器件的過(guò)載能力。

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