余躍聽，黃青梅，江壯賢

(1. 海軍駐武漢719所軍事代表室，武漢 430064；2. 92730部隊裝備部，三亞 572016；3. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引言

真空斷路器由于具有耐壓能力高、在電流過零點介質(zhì)強度恢復(fù)速度快、燃弧能量低、安全和免維護等特點在交流系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。近年來真空開關(guān)逐步向直流系統(tǒng)發(fā)展，如直流輸配電、輕軌、地鐵及艦艇等場合也越來越多的采用真空直流開關(guān)[4-10]。為了將交流真空開關(guān)應(yīng)用于直流系統(tǒng)，最常用的辦法是采用強迫換流的方法使真空開關(guān)中的直流電流強制過零，利用真空開關(guān)在電流過零點極強的介質(zhì)強度恢復(fù)能力來形成絕緣介質(zhì)間隙，分斷電流[11,12]。

圖1所示為真空直流開關(guān)的一種原理結(jié)構(gòu)圖，它的工作過程如下：正常工作時主回路電流is從真空開關(guān)VB上流過；當需要分斷電流時，首先打開真空開關(guān) VB，真空電弧出現(xiàn)；經(jīng)過一定時間的燃弧后真空開關(guān)形成足夠的觸頭開距，此時導(dǎo)通關(guān)斷回路晶閘管TH，預(yù)先充電的電容C通過電感L對真空開關(guān)放電，形成與主回路電流方向相反的脈沖電流ic，使真空開關(guān)中的電流逐漸的減小直至形成電流過零點。真空電弧電流過零之前由于電弧電壓的鉗位作用二極管D無法開通，直到電弧熄后反向脈沖電流才從二極管流過，為真空滅弧室提供零電壓的介質(zhì)恢復(fù)時間，更加有利于真空開關(guān)成功分斷。

圖1 真空直流開關(guān)原理結(jié)構(gòu)圖

采用強迫換流原理的真空直流斷路器為了分斷高上升率的短路電流，要求真空開關(guān)不僅機械延時短而且觸頭初期運動速度快，以盡快形成足夠的觸頭開距。開距形成時間越短，關(guān)斷電流就可越早發(fā)出，短路電流對真空觸頭的燒損越小，而且關(guān)斷時刻越早，短路電流越小，所需的關(guān)斷電流峰值也越小，不僅可以減小關(guān)斷電路體積，而且有利于降低電流過零點的di/dt，這對于真空介質(zhì)的強度的恢復(fù)意義重大。

與真空開關(guān)一樣，關(guān)斷電路的導(dǎo)通開關(guān)也必須動作速度快，由于斷路器正常工作時關(guān)斷電路導(dǎo)通開關(guān)無需通流，因此一般的功率晶閘管便可滿足要求。若斷路器的電壓等級過高或所需的關(guān)斷電流上升率過大時可采用真空觸發(fā)開關(guān)，本文采用具有較快導(dǎo)通 di/dt的快速晶閘管作用關(guān)斷電路的快速導(dǎo)通開關(guān)。

在斷路器關(guān)斷短路電流時，線路電感中存儲的能量將使斷路器兩端出現(xiàn)遠大于系統(tǒng)電壓的過電壓，若不加以限制將會對系統(tǒng)設(shè)備和斷路器的器件造成損壞。因此斷路器兩端并聯(lián)了壓敏電阻以限制關(guān)斷過電壓。

本文將對基于強迫換流原理的真空直流限流斷路器進行仿真與試驗研究，對斷路器的限流分斷過程進行分析。

1 高速真空開關(guān)

為了滿足限流斷路器對真空開關(guān)的要求，本文設(shè)計了基于電磁斥力機構(gòu)的高速真空開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的不同工作過程如下：

1）合閘狀態(tài)：真空開關(guān)合閘狀態(tài)的觸頭壓力由壓力彈簧和真空滅弧室的自閉力產(chǎn)生，以保證真空開關(guān)導(dǎo)通時的低阻特性。

2）分閘：分閘時預(yù)先充電的脈沖放電電路對斥力線圈放電在斥力金屬盤中感應(yīng)出與斥力線圈電流方向相反的渦流，依靠斥力盤與斥力線圈間產(chǎn)生的電磁斥力推動斥力盤帶動動觸頭快速分離，電磁斥力機構(gòu)的原理圖如圖3(a)所示，觸頭運動到一定開距后，鎖扣彈簧（圖中未畫出）帶動鎖扣桿將觸頭動固定于分閘位置。

3）合閘：當故障解除后需要合閘時，通過對脫扣電磁鐵（圖中未畫出）通電，電磁鐵克服鎖扣彈簧的拉力使機構(gòu)脫扣，動觸頭在滅弧室自閉力及壓力彈簧的作用下合閘。

圖2 高速真空開關(guān)結(jié)構(gòu)

圖3（b）所示為電磁斥力機構(gòu)的動作特性，斥力電容C容量100 μF，充電1.5 kV。由圖可知斥力線圈電流峰值5 kA，峰值時間約50 μs，所產(chǎn)生的電磁斥力峰值約40 kN，加速過程結(jié)束后動觸頭運動速度可達 2 m/s，后期測試表明該觸頭機構(gòu)的機械延時為 75 μs。

圖3 電磁斥力機構(gòu)

2 脈沖電容試驗電路

本文采用脈沖電容器放電回路試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要組成如圖4所示。脈沖電容放電系統(tǒng)的原理是，把若干個電容器經(jīng)串并聯(lián)后組成電容器組C1，放電試驗前首先對C1充電，儲存能量，然后經(jīng)電感和限流斷路器放電，產(chǎn)生一定頻率的放電電流，以在短時間內(nèi)獲得相當于實際系統(tǒng)短路電流的放電電流供限流斷路器開斷能力試驗使用。

脈沖電容放電系統(tǒng)可分為充電回路和放電試驗回路兩部分，先斷開開關(guān)K2，閉合開關(guān)K1，將電容器組C1充電至電壓U1，然后斷開K1使充電電路停止工作。在確定被試限流斷路器處于閉合狀態(tài)情況下，給放電回路的晶閘管F觸發(fā)導(dǎo)通信號，C1開始放電過程，限流斷路器按照控制程序進行限流分斷，由示波器記錄電流波形i和限流斷路器兩端電壓u。試驗完成后，閉合開關(guān)K2可以將電容C1的剩余能量釋放掉。

圖4 脈沖電容放電系統(tǒng)

通過適當選擇電容值C1、充電電壓U1和電感值L1，即可得到模擬實際系統(tǒng)短路所需要的放電電流波形。本文試驗中電容C1的取值主要有5 mF、10 mF、30 mF和190 mF，電感L1的取值主要有15 μH、20 μH、25 μH、30 μH、60 μH 和 100 μH，通過搭配不同的電容和電感取值來模擬不同的短路電流波形。采用脈沖電容放電系統(tǒng)代替實際直流電源系統(tǒng)的等效性應(yīng)滿足以下三個方面要求：

1）電流特性相同：電容放電電流波形與實際短路電流波形在上升段一致，即電流到達峰值前的上升率di/dt與實際系統(tǒng)相同；

2）能量特性相同：限流過程中電容釋放出的能量與實際系統(tǒng)一致，即在限流斷路器中MOV開始限壓吸能時電感上儲存的能量應(yīng)一致；

3）電壓特性相同：限流結(jié)束后，電容C1剩余電壓應(yīng)等于或高于實際系統(tǒng)電壓。

3 關(guān)斷過程仿真分析

為了更好理解限流斷路器的分斷過程，采用EMTP仿真軟件建立斷路器及試驗系統(tǒng)的仿真模型。仿真中所用參數(shù)與試驗參數(shù)一致，如表1所示，其中負載電阻依據(jù)關(guān)斷試驗項目的不同選擇不同阻值。

1）短路關(guān)斷仿真

短路關(guān)斷時負載電阻為5.5 mΩ。斷路器的控制策略為：當短路電流到達1 kA時延時20 μs再檢測，若電流仍大于1 kA則認為發(fā)生短路故障，確定故障后給高速真空開關(guān)發(fā)動作信號，使真空滅弧室動、靜觸頭分離，高速真空開關(guān)機械延時約75 μs；高速真空開關(guān)動作信號發(fā)出100 μs后導(dǎo)通關(guān)斷電路晶閘管，開始強迫換流關(guān)斷過程。

表1 試驗及仿真參數(shù)

短路仿真結(jié)果如圖5所示，短路發(fā)生后主回路電流以5.5 A/μs的速度上升，t0=292 μs時真空滅弧室觸頭分離，t1=317 μs時關(guān)斷電路發(fā)出關(guān)斷電流，此時真空滅弧室電弧電流達到最大值 1.78 kA。隨著關(guān)斷電流的上升，真空滅弧室電流不斷下降并在380 μs時下降到零，真空電弧熄滅。t2時刻開始，續(xù)流二極管導(dǎo)通，真空滅弧室處于零電壓的介質(zhì)恢復(fù)階段，直至t3=422 μs時二極管截止，主回路電流轉(zhuǎn)移至關(guān)斷回路，零電壓恢復(fù)階段結(jié)束，二極管電流峰值405 A，零電壓時間tr=t3-t2=42 μs。t3時刻以后主回路電流向關(guān)斷電容充電，此時斷路器兩端電壓等于關(guān)斷電容電壓，并隨著充電的過程電壓不斷提高，并在t4=475 μs時刻電壓達到壓敏電壓動作的閾值，壓敏電阻開始導(dǎo)通。壓敏電阻起作用后，關(guān)斷回路電流向壓敏電阻支路轉(zhuǎn)移，t5=530 μs時關(guān)斷回路電流完全轉(zhuǎn)移至壓敏電阻支路，關(guān)斷電容充電電壓及斷路器兩端電壓達到最大值2 kV。電流完全切斷發(fā)生在t5=1130 μs時刻，關(guān)斷過程關(guān)斷晶閘管承受反向電壓為關(guān)斷電容與斷路器兩端電壓之差，最大值1 kV，關(guān)斷后斷路器兩端電壓等于電回路電容剩余電壓約1.08 kV。

圖5 短路關(guān)斷仿真結(jié)果

2）額定電流關(guān)斷仿真

400 A額定電流關(guān)斷時負載電阻取2.6 Ω，斷路器的控制策略為：當短路電流到達300 A時，延時200 μs后給高速真空開關(guān)發(fā)動作信號，使真空滅弧室動、靜觸頭分離；高速真空開關(guān)動作信號發(fā)出425 μs后導(dǎo)通關(guān)斷電路晶閘管，開始強迫換流關(guān)斷過程，與短路關(guān)斷相比額定關(guān)斷時由于滅弧室的燃弧電流只有400 A，且保持恒定不變，因而從斥力信號發(fā)出至關(guān)斷信號發(fā)出采取了較長延時策略，目的是使真空滅弧室運動到足夠大的開距，避免關(guān)斷回路電流向續(xù)流二極管支路轉(zhuǎn)移時感應(yīng)的電壓使滅弧室反向擊穿重燃。

額定電流關(guān)斷仿真結(jié)果如圖6所示，與短路關(guān)斷相似額定關(guān)斷也存在滅弧室電流向關(guān)斷電路轉(zhuǎn)移的過程，由于主回路電流比短路時相比要小得多因而滅弧室電流過程后向續(xù)流二極管轉(zhuǎn)移的電流要大得多，這種情況下續(xù)流二極管導(dǎo)通時間 102.3 μs，電流峰值2.2 kA。由于回路能量較小，關(guān)斷電容充電壓未達到壓敏電阻保護電壓閾值，因而關(guān)斷過程中壓敏電阻未開通，不存在向壓敏電阻的換流的階段，續(xù)流二極管截止后斷路器兩端電壓等于關(guān)斷電容電壓，關(guān)斷過程關(guān)斷晶閘管不承受反向電壓。關(guān)斷后斷路器兩端電壓等于電回路電容剩余電壓約1.09 kV。

圖6 額定關(guān)斷仿真結(jié)果

4 試驗結(jié)果

圖7和圖8分別為1 kV/400 A限流斷路器樣機短路電流分斷和額定電流分斷的試驗結(jié)果，為了方便比較將各自的仿真結(jié)果也在圖中表示出來，結(jié)果表明仿真與試驗具有較高的一致性。

短路電流分斷結(jié)果中，初始電流上升率為 5.5 A/μs的短路電流被限流到2.5 kA以下，電流到達峰值時間530 μs，完整的限流分斷時間1.35 ms，斷路器兩端過電壓小于2 kV，短路關(guān)斷試驗和額定電流關(guān)斷試驗結(jié)束后主回路電容電壓大于1kV，滿足等效試驗要求。

圖7 短路關(guān)斷仿真與試驗結(jié)果對比

圖8 額定關(guān)斷仿真與試驗結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文對強迫換流型限流斷路器的限流分斷過程進行了仿真分析與試驗研究，仿真與試驗結(jié)果一致性較好。分析了限流斷路器的短路與額定關(guān)斷過程，得到以下結(jié)論：

1）通過在真空開關(guān)兩端反向并聯(lián)續(xù)流二極管，使真空開關(guān)電弧電流過零后獲得零電壓介質(zhì)恢復(fù)時間，有利于真空介質(zhì)強度恢復(fù)和電流的關(guān)斷。

2）短路關(guān)斷時，主回路對關(guān)斷電容充電使斷路器兩端出現(xiàn)大于系統(tǒng)電容的過電壓，可以通過并聯(lián)壓敏電阻來限制過高的過電壓。

3）關(guān)斷過程中關(guān)斷晶閘管承受反向電壓為關(guān)斷電容與斷路器兩端電壓之差，壓敏電阻不起作用時，關(guān)斷晶閘管關(guān)斷過程不承受反壓。

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