斷路器換流參數(shù)對混合式斷路器關(guān)斷特性的影響

曹鵬飛，張 鵬，茹夢鴿

斷路器換流參數(shù)對混合式斷路器關(guān)斷特性的影響

曹鵬飛，張 鵬，茹夢鴿

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

混合式斷路器電氣參數(shù)尤其是換流回路的參數(shù)對于斷路器的性能、體積和成本有很大的影響，不同的關(guān)斷環(huán)境對構(gòu)成斷路器各元器件的型號與參數(shù)配置有較為嚴格的要求。本文通過對斷路器拓撲的分析計算，得出斷路器換流參數(shù)對斷路器關(guān)斷特性的影響。

混合式斷路器換流參數(shù)關(guān)斷過程

0 引言

對混合式斷路器的改進研究一般多在提出新型拓撲結(jié)構(gòu)或改進原有拓撲結(jié)構(gòu)，從電氣參數(shù)層面進行優(yōu)化設(shè)計的研究相對較少。不同的開斷環(huán)境對混合式斷路器中各路元器件的型號和參數(shù)配置有較為嚴格的要求，電氣參數(shù)對于斷路器性能、體積和制造成本等也有很大影響。隨著直流電力系統(tǒng)的發(fā)展，對直流混合式斷路器有提高分斷性能、擴大使用范圍、追求小型化等要求[1～2]。因此對混合式斷路器的電氣參數(shù)尤其是換流參數(shù)進行優(yōu)化，不僅有利于滿足不同系統(tǒng)環(huán)境下的開斷條件，也有利于提高斷路器自身性能。

文獻[3]描述了為達到斷路器分斷的某種最佳狀態(tài)，對換流參數(shù)如何設(shè)置，但缺少對換流參數(shù)對分斷特性影響的定量分析。

文獻[4]介紹了強迫換流參數(shù)對斷路器中晶閘管的影響，通過設(shè)置合適的換流參數(shù)，防止晶閘管的反向恢復(fù)過電壓擊穿和重加正電壓擊穿。

關(guān)于斷路器換流參數(shù)國內(nèi)外少有較為系統(tǒng)的研究，針對上述問題，本文對斷路器工作過程進行分析計算，建立斷路器的數(shù)學(xué)模型，總結(jié)出斷路器分斷過程中的晶閘管關(guān)斷電流變化率、斷路器截斷電流、反向電壓峰值和反向電壓持續(xù)時間以及斷路器分斷時間隨換流參數(shù)的變化規(guī)律。

1 組成結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示為斷路器拓撲結(jié)構(gòu)。

斷路器工作過程有電流轉(zhuǎn)移階段、強迫換流階段和耗能階段，對這三個階段分別建立模型可以得到斷路器主電路工作過程的模型。

圖1 斷路器主回路拓撲

圖2 自然換流過程的等效電路圖

如圖2所示為自然換流過程的等效電路圖，圖3為其S域等效電路圖，其中a是機械開關(guān)關(guān)斷時的弧壓，S1是機械開關(guān)支路雜散電阻，S1是機械開關(guān)支路雜散電感，U1是晶閘管1的閾值電壓，R1是電流轉(zhuǎn)移支路等效電阻，L1是電流轉(zhuǎn)移支路等效電感。

圖3 自然換流過程S域等效電路圖

由于短路電流數(shù)值大且上升率高，為便于分析計算，做出以下三個假設(shè)條件：

a)系統(tǒng)初始時刻電流近似于零；

b)以電流開始轉(zhuǎn)移的時刻為零時刻；

c)假設(shè)從系統(tǒng)開始短路到電流開始轉(zhuǎn)移的時間段為t1。

基于以上假設(shè)，短路電流為

根據(jù)圖3可列式（3）

其中：

如圖4所示為強迫換流階段的等效電路圖。

以觸發(fā)晶閘管T0導(dǎo)通的時間為零時刻，可列下式

初始條件為：

解得：

壓敏電阻采用式（9）模型：

在代入合適參數(shù)后，通過改變換流電容值和換流電感值，總結(jié)出換流參數(shù)對斷路器關(guān)斷特性的影響趨勢。

2 換流電容對斷路器關(guān)斷特性的影響

在實際應(yīng)用中，電力系統(tǒng)對斷路器體積與重量有一定的要求。換流器件的體積重量占了很大比重，為保證強迫換流階段的成功，需要大電容和高充電電壓，這導(dǎo)致電容以及充電機的體積重量增大。為保證晶閘管的關(guān)斷電流變化率在一定范圍內(nèi)，不至于使d/d過大損壞晶閘管等器件，也不至于使d/d過小導(dǎo)致?lián)Q流失敗或增加關(guān)斷時間，換流電感也許選定合適的數(shù)值。研究換流參數(shù)對斷路器關(guān)斷特性的影響規(guī)律，可以在實際應(yīng)用中，根據(jù)系統(tǒng)對斷路器的要求調(diào)整換流參數(shù)。

以換流電感作為自變量，總結(jié)觀察晶閘管關(guān)斷電流變化率、斷路器截斷電流、反向電壓峰值和反向電壓持續(xù)時間以及斷路器分斷時間隨變量的變化規(guī)律。

取10組換流電感的值，對結(jié)果進行分析統(tǒng)計可得電感變化對晶閘管關(guān)斷電流變化率、斷路器截斷電流、反向電壓峰值和反向電壓持續(xù)時間以及斷路器分斷時間的影響，在其他條件不變的情況下，當(dāng)電感大于等于2.2 μH時，斷路器會關(guān)斷失敗。

圖5為晶閘管關(guān)斷電流變化率隨換流電感的變化曲線，隨著換流電感的增大，晶閘管關(guān)斷電流變化率減小。針對關(guān)斷電流變化率這一指標(biāo)，電感的選擇最大不能使強迫換流失敗，最小不能使晶閘管損壞。

圖5 di/dt隨換流電感的變化曲線

圖6為斷路器截斷電流隨換流電感的變化曲線，可以看出換流電感的變化基本不影響截斷電流的大小。

圖6 截斷電流隨換流電感的變化曲線

圖7為晶閘管關(guān)斷后的反向電壓峰值隨換流電感的變化曲線，可以看出，隨著電感的增大，反壓峰值降低，反向電壓峰值對晶閘管的關(guān)斷時間有一定的影響，反壓越高，晶閘管關(guān)段時間越短，反向電壓過高可能會導(dǎo)致晶閘管反向擊穿，在保證晶閘管不會反向擊穿的情況下，選擇更小的電感有利于晶閘管的反向恢復(fù)。

圖7 反向電壓峰值隨換流電感的變化曲線

圖8為反壓持續(xù)時間隨換流電感的變化曲線，電感越大，反向電壓持續(xù)時間越短，反壓持續(xù)時間過長不利于斷路器分斷的快速性，反壓持續(xù)時間越短，則有可能在晶閘管載流子未完全復(fù)合前給晶閘管兩端加上正向電壓，導(dǎo)致晶閘管正向擊穿，在保證其大于晶閘管關(guān)斷時間的前提下，應(yīng)選擇更大的換流電感以縮短反壓持續(xù)時間。

圖8 反壓持續(xù)時間隨換流電感的變化曲線

圖9為斷路器分斷時間隨換流電感的變化曲線，隨著換流電感增大，斷路器的分斷時間增加。

圖9 斷路器分斷時間隨換流電感的變化曲線

3 換流電容對斷路器關(guān)斷特性的影響

以換流電容作為自變量，總結(jié)觀察晶閘管關(guān)斷電流變化率、斷路器截斷電流、反向電壓峰值和反向電壓持續(xù)時間以及斷路器分斷時間隨變量的變化規(guī)律。

取10組換流電容的值，對結(jié)果進行分析統(tǒng)計可得電容變化的對晶閘管關(guān)斷電流變化率、斷路器截斷電流、反向電壓峰值和反向電壓持續(xù)時間以及斷路器分斷時間的影響。

圖10為晶閘管關(guān)斷電流變化率隨換流電容的變化曲線，隨著換流電容的增大，晶閘管關(guān)斷電流變化率增大，當(dāng)電容過大導(dǎo)致電流變化率過高時，可能會導(dǎo)致晶閘管的損壞，而電容過小會導(dǎo)致強迫換流的失敗。換流電容的選擇應(yīng)最大不能使d/d過大導(dǎo)致晶閘管損壞且體積要在設(shè)計單位內(nèi)，最小需保證強迫換流的成功。

圖10 di/dt隨換流電容的變化曲線

圖11為斷路器截斷電流隨換流電容的變化曲線，可以看出換流電容的增大會導(dǎo)致截斷電流略微增長。

圖12為晶閘管關(guān)斷后的反向電壓峰值隨換流電容的變化曲線，可以看出，隨著電感的增大，反壓峰值增大。

圖11 截斷電流隨換流電容的變化曲線

圖12 反向電壓峰值隨換流電容的變化曲線

圖13為反壓持續(xù)時間隨換流電容的變化曲線，電容越大，反向電壓持續(xù)時間越長。

圖13 反壓持續(xù)時間隨換流電容的變化曲線

圖14為斷路器分斷時間隨換流電感的變化曲線，隨著換流電容的增大，斷路器的分斷時間增加。

圖14 分斷時間隨換流電容的變化曲線

4 結(jié)語

本文通過建立數(shù)學(xué)模型，來分析斷路器的運行過程，通過改變換流電容和電感，來探究換流參數(shù)對斷路器分斷特性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：晶閘管關(guān)斷電流變化率隨2的增大而減小，隨2的增大而增大；斷路器截斷電流的大小基本不受換流參數(shù)的影響；反向電壓峰值隨2的增大而減小，隨2的增大而增大；反向電壓持續(xù)時間隨2的增大而減小，隨2的增大而增大；斷路器分斷時間隨2的增大而增大，隨2的增大而增大。

[1] 何俊佳, 袁召, 趙文婷,等. 直流斷路器技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2015, 9(2): 7.

[2] Park J D, Candelaria J. Fault Detection and Isolation in Low-Voltage DC-Bus Microgrid System[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, 28(2): 779-787.

[3] 劉曉明, 于德恩, 鄒積巖. 基于弧后鞘層發(fā)展分析的直流真空斷路器換流參數(shù)優(yōu)化[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2015(9): 6.

[4] 劉軼強. 強迫換流參數(shù)對晶閘管工作特性的影響分析[J]. 船電技術(shù), 2019, 39(11): 5.

Influence of circuit breaker commutation parameters on shutdown of hybrid circuit breaker

Cao Pengfei, Zhang Peng, Ru Mengge

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM561

A

1003-4862（2022）09-0014-05

2022-07-11

曹鵬飛（1983-），男，高級工程師，研究方向：低壓電器設(shè)備。E-mail：xjtu3005@163.com