方 偉，徐國順，莊勁武

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3KV/200A真空直流斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

方 偉，徐國順，莊勁武

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

針對直流電力系統(tǒng)中額定電流的分?jǐn)鄦栴}，本文提出一種真空直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用自然換流原理實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)額定電流的分?jǐn)?。同時(shí)對斷路器的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析自然換流關(guān)斷過程，通過計(jì)算得到關(guān)斷參數(shù)。通過EMTP仿真軟件對關(guān)斷過程進(jìn)行仿真，得到仿真波形，并在實(shí)驗(yàn)室搭建了300V/200A小比例試驗(yàn)平臺(tái)，成功實(shí)現(xiàn)了200A電流的關(guān)斷。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真擬合分析，結(jié)果證明，所提出的方案有效、可行，可用于斷路器的參數(shù)的設(shè)計(jì)。

直流真空斷路器 自然換流 換流回路

0 引言

3KV/200A真空直流斷路器可以用在直流電力系統(tǒng)中，作為負(fù)荷開關(guān)使用，起到額定投切的關(guān)斷作用。在這個(gè)電壓電流等級(jí)上，國內(nèi)一般使用空氣開關(guān)，但是空氣開關(guān)具有體積大，成本高等缺陷而真空開關(guān)具有體積小、可靠性高、價(jià)格低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)?；谡婵諟缁∈易匀粨Q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(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，是近年來直流真空斷路器的一個(gè)新的發(fā)展方向。

正常工作時(shí)，真空開關(guān)承擔(dān)主回路電流，當(dāng)需要分?jǐn)鄷r(shí)，斥力電路接到信號(hào)，發(fā)斥力，真空開關(guān)打開，從而產(chǎn)生電弧，使其與IGBT換流支路產(chǎn)生壓差，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。最終通過信號(hào)控制關(guān)斷IGBT，從而達(dá)到關(guān)斷電路的目的。

1 直流真空斷路器組成及原理

1.1 真空斷路器組成

圖1所示為直流系統(tǒng)及自然換流型真空斷路器以及保護(hù)電路組成，直流電源E、線路電感L、真空開關(guān)VI和負(fù)載電阻R1串聯(lián)。正常工作電流由真空開關(guān)VI上流過。自然換流電路包括IGBT以及線感L，首先通過觸發(fā)T1電源放電經(jīng)過一定時(shí)間電流達(dá)到我們要求給斥力發(fā)信號(hào)并且同時(shí)給IGBT發(fā)導(dǎo)通信號(hào)。此時(shí)觸頭產(chǎn)生弧壓，并且開始換流，IGBT經(jīng)過一定的導(dǎo)通時(shí)間，讓真空開關(guān)零電壓恢復(fù)，再給IGBT發(fā)關(guān)斷信號(hào)，從而使該支路上的電流再次換流到電容上，最后進(jìn)行關(guān)斷。

1.2 直流斷路器自然換流關(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(shí)需在回路中需要將觸頭上的電流轉(zhuǎn)移人為的產(chǎn)生電流過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?，這就是所謂的自然換流原理。

開關(guān)自然換流電路模型如圖2所示

圖2中：U為高速開斷器弧壓；U為IGBT元器件的通態(tài)壓降; R、分別為換流支路電阻、電感；為短路電流；1和2分別為流過開關(guān)和IGBT支路電流。根據(jù)圖2我們可以列出下式：

（1）

正常通流時(shí)，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(shí)，邏輯控制電路發(fā)出分閘指令后，立即觸發(fā)驅(qū)動(dòng)真空開關(guān)VI分離，并且換流支路IGBT被導(dǎo)通，根據(jù)電弧弧壓與IGBT導(dǎo)通壓降的電壓差形成自然換流，VI觸頭達(dá)到滿行程后，經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間，IGBT接到關(guān)斷信號(hào)，IGBT兩端出現(xiàn)出現(xiàn)過電壓，直到主回路電流減小到零。圖3為典型的自然自然換流控制原理示意圖。

2 關(guān)斷電路參數(shù)設(shè)計(jì)

換流特性是高速開斷器的重要性能之一。高速開斷器順利完成向滅弧熔斷器的換流是混合型高速限流熔斷器成功分?jǐn)嗟谋匾獥l件，換流時(shí)間過長或無法完成，都將導(dǎo)致分?jǐn)嗍　?/p>

高速開斷器開斷后的弧壓與換流支路的電氣參數(shù)直接決定了換流時(shí)間com，為了達(dá)到更好的限流效果，必須減小換流時(shí)間，根據(jù)上式（1）可以通過兩種方式達(dá)到減小換流時(shí)間的效果，分別是提高開斷器的換流電壓U和降低換流回路支路的電阻和線感，所以在實(shí)驗(yàn)是盡量減小線路的電阻和線感。電容的確定,如下式可以求得電容=2.22mF 如下式（2）為電容的推導(dǎo)公式：

3 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(tái)，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200 A電流進(jìn)行分?jǐn)嘣囼?yàn)，=300 V,R=1.5Ω如下圖3為實(shí)驗(yàn)波形圖

由上波形圖，首先我們可以看到IGBT可以成功的關(guān)斷主回路電流，其中觸頭與IGBT的換流時(shí)間大約為3.2ms左右，此時(shí)的IGBT兩端電壓為10 V。在經(jīng)過大約150ms的換流與真空觸頭零電壓恢復(fù)時(shí)間，觸頭兩端經(jīng)過10ms產(chǎn)生了大約630 V的過壓。

由上圖4我們可以算出主回路上升率大約為4.05 A/ms，從而我們可以算出線路電感為74mH,再有我們同樣可以算出換流時(shí)的上升率為=200A/3.8 μs=52.6 A/ms，由上面的換流回路可以知道弧壓10 V, IGBT通態(tài)壓降大約3 V,從而可以由式（10-3）=*得出IGBT支路上的線感為0.16 μH,同時(shí)也可以得出觸頭支路的電感為0.1 μH,根據(jù)IGBT和電容支路換流階段波形來看耗時(shí)為0.25 μs，=200/0.25=800 A/μs此時(shí)倆端電壓為160V,*di/dt=160從而可以得到電容支路電感為0.2 μH。

4 仿真計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

采用EMTP仿真軟件對所設(shè)計(jì)的300 V/200 A開關(guān)斷路器電流進(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)建立的仿真模型，根據(jù)電路原理圖我們建立了仿真模型，在建模過程中存在線路的參數(shù)選取與設(shè)置，從而接下來我們將實(shí)驗(yàn)所得的參數(shù)代入仿真模型中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以下為仿真與實(shí)驗(yàn)擬合情況。

1)主回路擬合

2)IGBT與觸頭換流IGBT支路電流擬合

3）IGBT與電容支路換流IGBT支路關(guān)斷階段電流擬合

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?，設(shè)計(jì)3 KV/200 A等級(jí)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)了小比例額定電流的分?jǐn)?，?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）利用自然換流的原理實(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）通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)，成功驗(yàn)證方案的可行。3）增大弧壓與減小換流支路線感均有利于換流順利進(jìn)行，有利于分?jǐn)唷?/p>

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Design of 3KV/200A Vacuum DC Circuit Breaker

Fang Wei, Xu Guoshun ,Zhuang Jinwu

（College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM561

A

1003-4862（2016）11-0001-03

2016-06-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51207166，51307179),海軍工程大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(435517F21)

方偉（1990-），男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)保護(hù)。