楊 成，徐國順，江壯賢

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引言

4000 V/400 A等級直流斷路器可以用在船舶直流電力系統(tǒng)中，作為負(fù)荷開關(guān)使用，起到額定投切的作用。在這個電壓電流等級上，真空開關(guān)具有體積小、價格低、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。基于真空滅弧室強(qiáng)迫換流關(guān)斷原理的真空直流斷路器具有通態(tài)損耗小、分?jǐn)嗄芰?qiáng)、觸頭燒損小、電氣壽命長、體積小、價格低等優(yōu)點(diǎn)，是近年來直流斷路器的一個新的發(fā)展方向。正常工作時，主回路電流從真空開關(guān)流過，當(dāng)需要分?jǐn)鄷r，真空開關(guān)首先打開至額定開距，之后脈沖強(qiáng)迫關(guān)斷回路發(fā)出一個與主回路電流方向相反的反向關(guān)斷脈沖電流，迫使真空開關(guān)中的電流迅速減小過零，電流一旦過零，電弧便很快被熄滅，由于真空滅弧室在電流過零點(diǎn)具有極強(qiáng)的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)能力，電弧不再重燃[1-2]。

1 組成及原理

圖1 直流真空斷路器組成

1.1 組成

圖1所示為直流系統(tǒng)及強(qiáng)迫換流型真空斷路器組成，直流電源E與線路電阻Rc、線路電感Lc、真空開關(guān)S1和負(fù)載電阻RL、電感LL串聯(lián)。正常工作電流由真空開關(guān)S1上流過。強(qiáng)迫換流電路包括關(guān)斷電容C及電感L，通過導(dǎo)通開關(guān)S2與真空開關(guān)S1并聯(lián)。

1.2 直流斷路器強(qiáng)迫關(guān)斷原理

根據(jù)電弧的理論，電弧熄滅所必需的條件之一就是電弧電流必須要過零點(diǎn)。由于直流電弧沒有自然零點(diǎn)，所以熄滅電弧就變得異常困難，因此分?jǐn)鄷r需在回路中投入反向電流，人工產(chǎn)生電流過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分?jǐn)啵@就是所謂的強(qiáng)迫換流原理。圖2為典型的強(qiáng)迫換流原理示意圖。正常通流時，電流從真空滅弧室上流過，觸頭電阻低，通態(tài)壓降小，功耗較低。分?jǐn)鄷r，邏輯控制電路發(fā)出分閘指令后，立即觸發(fā)驅(qū)動真空開關(guān) S1分離，S1觸頭達(dá)到滿行程后，通過S1的輔助觸點(diǎn)控制S2快速觸發(fā)閉合，預(yù)儲能的換流電容C放電，放電電流方向與主電流方向相反，強(qiáng)迫主回路電流從觸頭支路轉(zhuǎn)移到C-L-S2支路，觸頭電流S1逐漸減小直至過零熄弧，關(guān)斷電容不斷地被反向電流充電，觸頭兩端出現(xiàn)恢復(fù)過電壓，直到主回路電流減小到0。

圖2 直流斷路器分合閘原理

2 關(guān)斷電路參數(shù)設(shè)計(jì)

換流參數(shù)的設(shè)計(jì)主要受到三方面的制約：1）換流電流的幅值必須高于待分?jǐn)嚯娏鳎?）電容電感盡量取小，電容電感越小，真空開關(guān)體積越小、經(jīng)濟(jì)性越好。

換流回路頻率高時，換流回路的電容電感較小，開關(guān)的體積也較小，成本較低，但是存在的弊端是由于觸頭介質(zhì)恢復(fù)時間減少，導(dǎo)致開斷困難。如果換流頻率低，則會導(dǎo)致開關(guān)體積大、成本高，但是此時開斷比較容易。

圖3為積累的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以200 A/μs的di/dt分?jǐn)? kA直流電流時，滅弧室成功耐受7 kV/μs、峰值6 kV的反向分?jǐn)噙^電壓。預(yù)期400 A以下直流電流，真空開關(guān)分閘到位后，采用100 A/μs的di/dt參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)迫分?jǐn)啵阋匀〉贸晒Α?/p>

由公式

其中：Im為關(guān)斷電流峰值；

di/dt=100 A/μs；

取Im=2I=800A。

為關(guān)斷電容預(yù)充電電壓，分別設(shè)為UC0=500 V、1000 V、2000 V，由公式(1)(2)計(jì)算得，C1=12.8 μF，L1=5 μH；C2=6.4 μF，L2=10 μH；C3=3.2 μF，L3=20 μH。

從關(guān)斷過程考慮，減小預(yù)充電電壓有利于關(guān)斷，最終擬采用C=10 μF、L=5 μH、UC0==500 V的方案。

3 仿真計(jì)算

采用EMTP仿真軟件對4 kV/400 A斷路器開斷額定電流進(jìn)行仿真分析，按實(shí)際實(shí)驗(yàn)線路及斷路器設(shè)計(jì)參數(shù)建立仿真模型，參數(shù)如表1所示，其中導(dǎo)通開關(guān)S2合閘機(jī)械延時為25 ms。

分閘仿真結(jié)果如圖4所示。

在零時刻投入400A主回路電流，真空開關(guān)S1在主回路投入電流零時刻后2 ms時打開，經(jīng)過23 ms關(guān)斷開關(guān)合閘延時發(fā)出關(guān)斷電流，關(guān)斷電流以100 A/μs的速度上升，4 μs后通流開關(guān)觸頭上的電流為0，350 μs后主回路電流下降為0，開斷成功。

圖4 仿真圖形

表1 仿真參數(shù)

4 開斷試驗(yàn)

對設(shè)計(jì)的新型斷路器，在實(shí)驗(yàn)室搭建了試驗(yàn)平臺，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用電源為脈沖電容模擬額定400 A電流進(jìn)行分?jǐn)嘣囼?yàn)，實(shí)驗(yàn)中主電容預(yù)充電5000 V，關(guān)斷時刻主電容剩余電壓為3890 V，系統(tǒng)電阻Rc=10 Ω，此時系統(tǒng)電流為389 A。關(guān)斷電路參數(shù)為關(guān)斷電容C=10 μF、關(guān)斷電感L=5 μH、關(guān)斷電容預(yù)充電電壓UC0=500 V。分?jǐn)噙^程波形如圖5所示，觸頭燃弧25 ms后。投入換流電流，經(jīng)過3.3 μs的換流過程，電流下降過零，關(guān)斷成功。其中CH1為主回路電流，當(dāng)投入關(guān)斷電流后，主電流成功實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?，?shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真基本一致。

5 小結(jié)

本文根據(jù)在現(xiàn)代船舶直流電力系統(tǒng)中對額定分?jǐn)鄶嗦菲鞯男枨螅O(shè)計(jì)了4 kV/400 A等級的直流真空斷路器，在直流供電系統(tǒng)中應(yīng)用上述斷路器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了額定電流的分?jǐn)啵瑢?shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果基本一致，取得了好的效果?？偨Y(jié)本斷路器有如下特點(diǎn)：

1）利用強(qiáng)迫換流的原理實(shí)現(xiàn)對額定電流的分?jǐn)?，具有體積小、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室積累的數(shù)據(jù)，合理選擇關(guān)斷參數(shù)，既滿足關(guān)斷要求，又兼顧經(jīng)濟(jì)性和可操作性。

3）通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)，成功驗(yàn)證方案的可行性。

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