王 晨，徐建霖

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；2．海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

一種混合型直流斷路器中晶閘管關(guān)斷過電壓抑制方法研究

王 晨1，徐建霖2

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；2．海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

混合型直流斷路器由高速斥力開關(guān)和固態(tài)開關(guān)并聯(lián)組成。本文對(duì)一種混合型直流斷路器中晶閘管關(guān)斷時(shí)過電壓抑制問題開展了研究，對(duì)影響晶閘管關(guān)斷過電壓的因素進(jìn)行了分析，提出了在電感兩端并聯(lián)續(xù)流二極管和在晶閘管兩端并聯(lián)緩沖電路的解決方案。開展了有無緩沖電路和續(xù)流二極管、不同緩沖電路方案的對(duì)比試驗(yàn)，從而確定了緩沖電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的直流斷路器樣機(jī)短路分?jǐn)嘣囼?yàn)，驗(yàn)證了所提過電壓抑制方案的有效性。

混合型 直流斷路器 晶閘管 強(qiáng)迫關(guān)斷 過電壓

0 引言

隨著艦船、鐵路牽引、礦山等獨(dú)立直流電力系統(tǒng)容量的不斷增大，現(xiàn)有機(jī)械式直流斷路器的極限分?jǐn)嗄芰σ褵o法滿足系統(tǒng)短路電流分?jǐn)嗟囊?；同時(shí)，巨大的短路電流所引起的電動(dòng)力和熱效應(yīng)會(huì)對(duì)電力設(shè)備造成嚴(yán)重破壞[1-2]。目前，獨(dú)立直流電力系統(tǒng)的短路電流超過100 kA，而直流斷路器的分?jǐn)嗄芰Σ蛔?0 kA[3]。

直流電力系統(tǒng)與交流電力系統(tǒng)相比，其短路電流分?jǐn)嗟碾y點(diǎn)在于直流系統(tǒng)沒有用于電流開斷的自然過零點(diǎn)[4-5]。傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器為了產(chǎn)生電流過零點(diǎn)，采取的辦法是提高滅弧室的電弧電壓，當(dāng)電弧電壓超過電源電壓時(shí)短路電流開始下降，該方法的問題在于分?jǐn)鄻O限短路電流時(shí)電弧對(duì)觸頭的燒蝕會(huì)嚴(yán)重降低觸頭的壽命，滅弧室體積巨大，且其分?jǐn)嗨俣容^慢，觸頭打開需要幾十毫秒。因此，研制一種能對(duì)短路電流進(jìn)行快速抑制且高可靠性的新型直流斷路器就在這一背景下提出了[6-7]。

國內(nèi)外在新型直流斷路器方面已開展了深入的研究工作，特別是在基于電力電子器件的固態(tài)開關(guān)實(shí)用化方面取得了大量成果[8-12]。固態(tài)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作迅速、不存在電弧且理論上可無限次重復(fù)使用，能夠抑制短路電流的快速上升。但是與機(jī)械開關(guān)相比，固態(tài)開關(guān)存在通態(tài)損耗較大、通流和過載能力有限、串并聯(lián)均流均壓及控制困難等缺點(diǎn)?；旌闲椭绷鲾嗦菲髡窃谶@樣的背景下被人們所提出并看好的。近年來，多種基于電力電子器件的混合型直流斷路器拓?fù)浔惶岢鯷13-17]。

課題組在前期也開展了一種混合型直流斷路器方案的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[18]，在研究中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)迫關(guān)斷回路中晶閘管在電流過零截止時(shí)，由于回路中電感的存在會(huì)在晶閘管上產(chǎn)生過電壓尖峰，其上升率有超過晶閘管極限耐受能力的風(fēng)險(xiǎn)，為此開展了晶閘管過電壓抑制方法的研究，對(duì)過電壓影響因素進(jìn)行了分析，提出了在電感兩端并聯(lián)續(xù)流二極管和在晶閘管兩端并聯(lián)緩沖電路的解決方案，并開展了相關(guān)試驗(yàn)分析，最后進(jìn)行了改進(jìn)后樣機(jī)的限流分?jǐn)嘣囼?yàn)，驗(yàn)證了所提過電壓抑制方案的有效性。

2 直流斷路器中晶閘管關(guān)斷時(shí)過壓問題

2.1 直流斷路器工作原理

圖1 直流斷路器主電路

直流斷路器主電路如圖1所示，由高速電磁斥力開關(guān)SW和雙向晶閘管換流關(guān)斷支路并聯(lián)組成。雙向晶閘管換流關(guān)斷支路包括換流晶閘管F1、F2、二極管D1、D2，以及強(qiáng)迫關(guān)斷電路（L、C、F3、F4），晶閘管F1、F2采用快速晶閘管，可以滿足系統(tǒng)短路時(shí)雙向快速限流分?jǐn)嘁?。在F1、F2兩端并聯(lián)了壓敏電阻MOV用于限壓吸能。正常運(yùn)行時(shí)，額定電流從SW上流過，由于觸頭接觸電阻只有幾微歐，開關(guān)的通態(tài)損耗很低。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，給SW控制信號(hào)使其快速分?jǐn)?，同時(shí)導(dǎo)通晶閘管F1（或F2），電流轉(zhuǎn)換至換流晶閘管上，然后導(dǎo)通F3（或F4），使電容C給F1（或F2）一個(gè)反向電流，使其電流過零強(qiáng)迫關(guān)斷，之后電流從D1（或D2）上流過，當(dāng)電容放電電流iC下降到與主回路電流i相等時(shí)，D1（或D2）截止，隨著電容C反向充電結(jié)束，電流iC最終減小到零，晶閘管F3（或F4）電流過零關(guān)斷。

2.2 晶閘管F3（或F4）關(guān)斷時(shí)過電壓問題

圖1中的晶閘管F3（或F4）電流過零關(guān)斷時(shí)，由于F3（或F4）中載流子復(fù)合需要一段時(shí)間，因此會(huì)在F3（或F4）兩端產(chǎn)生反向過電壓尖峰，該過電壓的上升率極高，對(duì)器件的安全性造成威脅。

本文采用圖 2的直流斷路器限流分?jǐn)嘣囼?yàn)電路，測得了典型分?jǐn)噙^程中晶閘管F3兩端電壓uF3，如圖3所示。試驗(yàn)采用LC放電回路來模擬短路故障，C1為預(yù)先充好電的無感電容，L1為20 μH電感。試驗(yàn)中通過導(dǎo)通晶閘管F使C1放電來模擬短路電流，預(yù)期短路電流的大小取決于C1充電電壓。

圖2 直流斷路器的限流分?jǐn)嘣囼?yàn)電路

圖3（a）為直流斷路器在分?jǐn)?0kA電流時(shí)試驗(yàn)測得的主回路電流i（CH1：4kA/格）、直流斷路器兩端電壓u（CH3：200 V/格）和晶閘管F3兩端電壓uF3（CH4：500 V/格）。圖3（a）中用虛線圈出的即為F3電流過零關(guān)斷時(shí)，線路電感在F3兩端所產(chǎn)生的過電壓尖峰，圖（b）為虛線圈中uF3的尖峰放大圖，該過電壓尖峰為1800 V，電壓上升率約900 V/μs，已接近該型晶閘管的最大允許值 1000 V/μs。

3 晶閘管關(guān)斷時(shí)過電壓的影響因素分析

在晶閘管關(guān)斷的反向恢復(fù)過程中，晶閘管上電壓由反向電流和線路電感決定，而反向電流又和晶閘管的反向恢復(fù)電荷Qrr有關(guān)[19]。Qrr是正向通態(tài)電流峰值IFM和電流下降率di/dt的函數(shù)，Qrr=f（IFM，｜di/dt｜）。按照產(chǎn)品手冊中提供的反向恢復(fù)電荷曲線，可以對(duì)上式進(jìn)行擬合，得到Qrr關(guān)于IFM和di/dt的表達(dá)式。再由Qrr和di/dt可以計(jì)算得到反向電流最大值IRM和反向恢復(fù)電流曲線。然而，一般產(chǎn)品手冊中給出的反向恢復(fù)電荷曲線都是IFM在額定電流以內(nèi)，di/dt在30A/μs下降率以內(nèi)的Qrr曲線，而本文中晶閘管應(yīng)用在超出額定工況數(shù)倍的高IFM和高di/dt的反向恢復(fù)條件下，因此無現(xiàn)成的Qrr曲線可用，無法得到反向電流最大值IRM和反向恢復(fù)電流i曲線，也就不能據(jù)此計(jì)算得到晶閘管上過電壓曲線。因此，本節(jié)通過試驗(yàn)方法對(duì)晶閘管在高IFM和高di/dt下的反向恢復(fù)特性進(jìn)行分析。

圖3 晶閘管F3上的過電壓尖峰波形

3.1 不同型號(hào)晶閘管的過電壓特性

首先，試驗(yàn)對(duì)比不同型號(hào)的晶閘管關(guān)斷相同電流時(shí)的過電壓特性，晶閘管使用以下四種型號(hào)：KP 1600 A/2000 V，KK 3500 A/3000 V，KK 2500 A/2500 V，ABB公司的5STP 16F2801。試驗(yàn)電路采用圖4電路，這與晶閘管在直流斷路器中的應(yīng)用方式接近，在電感了兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，而晶閘管兩端先不并聯(lián)緩沖電路。采用樣機(jī)的雙向晶閘管換流關(guān)斷支路中電容C和電感L取值，C取2 mF，L取3 μH，C充電300 V放電，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

通過以上試驗(yàn)可以得到如下結(jié)論：

1）關(guān)斷相同正向電流峰值和下降率的電流時(shí)，不同型號(hào)晶閘管反向電流峰值IRM相接近；

2）過電壓峰值和電壓上升率與晶閘管的額定電流值有關(guān)，額定電流值大的晶閘管其關(guān)斷時(shí)的過電壓峰值和電壓上升率也越大，即關(guān)斷特性較差，因此選用較高額定電流參數(shù)的晶閘管未必對(duì)關(guān)斷的可靠性有利，器件參數(shù)選擇要綜合考慮。

圖4 晶閘管關(guān)斷測試電路

圖5 四種型號(hào)晶閘管關(guān)斷4 kA電流的試驗(yàn)波形

3.2 不同電流峰值和電流下降率的過電壓特性

本試驗(yàn)通過調(diào)整圖4中電容C充電電壓和電感L的取值，以得到不同正向電流峰值和電流下降率，分析晶閘管上出現(xiàn)過電壓特性規(guī)律。晶閘管使用KK3500 A/3000 V，在電感兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，晶閘管兩端并聯(lián)RC緩沖電路，緩沖電容取7.5 μF、電阻取5 Ω。進(jìn)行了以下兩種試驗(yàn)：1）電容C充電電壓分別為500 V、700 V、1000 V放電，電感L取3 μH，試驗(yàn)三種不同電流峰值和電流下降率的情況，如圖6（a）所示；2）電感L分別取3 μH、6 μH，通過調(diào)整電容充電電壓，使得兩種電感參數(shù)下電流下降過零時(shí)的-di/dt相同，如圖6（b）所示，從波形可知，電流過零時(shí)的下降率為 150 A/μs。

從試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1）隨著充電電壓增大，電容放電電流正向峰值IFM成正比增大，反向電流峰值IRM、反向恢復(fù)電荷Qrr和過電壓峰值隨IFM的增大而增大；

2）同一型號(hào)晶閘管關(guān)斷相同電流下降率的電流時(shí)，反向電流峰值IRM、反向恢復(fù)電荷Qrr和過電壓峰值隨IFM的增大而增大。

圖6 改變電流峰值和下降率的試驗(yàn)波形

4 晶閘管關(guān)斷時(shí)過電壓的抑制方法分析

針對(duì)晶閘管的過電壓問題，本文考慮采取以下措施進(jìn)行抑制：一是采取在圖1強(qiáng)迫關(guān)斷回路的電感L兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，給電感提供一個(gè)能量釋放回路；二是在F3、F4兩端并聯(lián)緩沖電路，使晶閘管兩端電壓不能突變，吸收線路電感的能量。

4.1 有無緩沖電路和續(xù)流二極管影響

首先，進(jìn)行了晶閘管兩端有無緩沖電路和電感兩端有無續(xù)流二極管四種情況的限壓效果對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)采用圖 4電路。晶閘管F使用KK3500A/ 3000V。緩沖電路采用RC型緩沖電路，緩沖電容取7.5 μF、電阻取5 Ω，續(xù)流二極管采用ZP1600 A/2000 V二極管。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖中“no RC+D”代表既無續(xù)流二極管也無緩沖電路；“D”代表有續(xù)流二極管；“RC”代表有緩沖電路；“RC+D” 代表既有續(xù)流二極管也有緩沖電路。

圖7 并聯(lián)續(xù)流二極管、緩沖電路的效果對(duì)比

由圖7可以得到以下結(jié)論：

1）四種情況的晶閘管正向電流峰值相同，并聯(lián)續(xù)流二極管后電流波形下降段要比不并聯(lián)續(xù)流二極管的-di/dt大，反向電流峰值IRM也要大；

2）電感并聯(lián)續(xù)流二極管后，晶閘管反向電壓峰值和上升率都有明顯減小，而只并聯(lián)RC緩沖電路不并聯(lián)續(xù)流二極管的限壓效果不明顯；

3）并聯(lián)續(xù)流二極管后，再并聯(lián)RC緩沖電路對(duì)限壓效果改善不明顯，這說明試驗(yàn)中RC參數(shù)選擇不合適，需要增加電容或減小電阻。

4.2 不同緩沖電路限壓效果分析

本節(jié)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的緩沖電路在晶閘管關(guān)斷時(shí)的限壓效果進(jìn)行了對(duì)比分析，進(jìn)而優(yōu)化了緩沖電路參數(shù)。主要對(duì)圖8所示的RC型、RCD-Ⅰ型、RCD-Ⅱ型三種緩沖電路進(jìn)行了分析。RC型緩沖電路中電阻R的作用一是防止線路電感和緩沖電容形成振蕩，二是防止晶閘管開通時(shí)緩沖電容在晶閘管上形成較大的放電電流。但RC型緩沖電路的問題是正常運(yùn)行時(shí)緩沖電容上會(huì)充上電壓，當(dāng)晶閘管F3導(dǎo)通時(shí)緩沖電容會(huì)經(jīng)F3放電，緩沖電容的放電電流疊加在關(guān)斷回路電容放電電流上，其電流上升率過高有可能損壞F3。因此本文在RC型緩沖電路基礎(chǔ)上，采取了RCD-Ⅰ型和RCD-Ⅱ型兩種緩沖電路，通過增加一個(gè)二極管D使緩沖電容在正常狀態(tài)下不會(huì)充上電壓，晶閘管導(dǎo)通時(shí)緩沖電容也就不會(huì)有放電電流流過晶閘管；通過增加一個(gè)電阻R0使緩沖電容吸收的能量通過其快速釋放掉。RCD-Ⅱ型和RCD-Ⅰ型的區(qū)別就是去掉了緩沖電阻R。通過對(duì)比試驗(yàn)最終確定采取何種緩沖電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)。

圖8 三種緩沖電路結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)對(duì)比了RCD-Ⅰ型、RCD-Ⅱ型緩沖電路取不同參數(shù)，晶閘管關(guān)斷相同電流時(shí)的過電壓特性，晶閘管使用KP1600 A/2000 V。RCD-Ⅰ型緩沖電路參數(shù)取以下三種取值組合：7.5 μF+5 Ω、7.5 μF+1 Ω、1 μF+1 Ω，RCD-Ⅱ型緩沖電路中電容取1 μF。2 mF電容充電300 V放電，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同緩沖電路參數(shù)的限壓效果

從中可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）四種緩沖電路參數(shù)限壓效果最好的是RCD-Ⅰ型的7.5 μF+1 Ω的組合，限壓效果最差的是 7.5 μF+5 Ω 的組合，1 μF+1 Ω 的限壓效果要好于RCD-Ⅱ型1 μF單獨(dú)作用的限壓效果；

2）隨著緩沖電容值增大，電容上的電壓上升率減小，1 μF+1 Ω 的緩沖電容上 du/dt為 100 V/μs，7.5 μF+1 Ω 的緩沖電容上 du/dt為 15 V/μs；

3）從緩沖電阻上的電壓波形可知，1 μF+1 Ω緩沖電路上的電流存在振蕩，7.5 μF的緩沖電路沒有振蕩。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的樣機(jī)限流分?jǐn)嘣囼?yàn)

采用圖2試驗(yàn)電路，對(duì)優(yōu)化后的樣機(jī)進(jìn)行短路限流分?jǐn)嘣囼?yàn)，電容C1=190 mF，充電電壓為400 V，線路電感L1=20 μH。關(guān)斷回路中電容2 mF，充電到820 V，電感3 μH。關(guān)斷回路中電感兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，晶閘管F3、F4兩端并聯(lián)RCD-Ⅰ型緩沖電路，取值7.5 μF+1 Ω組合。試驗(yàn)測量了主回路電流i、關(guān)斷回路電容放電電流iC、關(guān)斷回路電容兩端電壓uC和晶閘管F3兩端電壓uF3，如圖10所示。

直流斷路器控制策略：電流i到達(dá)500 A后，延時(shí)20 μs給斥力線圈電路中晶閘管發(fā)動(dòng)作信號(hào)，再延時(shí)150 μs給換流組件中晶閘管F1動(dòng)作信號(hào)，脈寬持續(xù)250 μs，關(guān)斷回路中的晶閘管是延時(shí)410 μs后發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。

由試驗(yàn)波形可知，初始電流上升率20 A/μs的短路電流被限制到13 kA，整個(gè)限流分?jǐn)噙^程時(shí)間為1.25 ms。關(guān)斷回路電流峰值21kA，電流上升率250 A/μs，電容反向充電到1 kV。晶閘管F3關(guān)斷時(shí)過電壓峰值340 V，過電壓上升率85 V/μs（虛線圈中）。從以上試驗(yàn)結(jié)果可知，樣機(jī)經(jīng)過加裝續(xù)流二極管和并聯(lián)緩沖電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，F(xiàn)3上過電壓峰值和上升率都得到了明顯抑制，因此有效保證了直流斷路器的工作可靠性。

圖10 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的樣機(jī)限流分?jǐn)嘣囼?yàn)波形

6 小結(jié)

本文對(duì)一種直流斷路器中晶閘管關(guān)斷過電壓抑制方法進(jìn)行了研究，首先分析了晶閘管關(guān)斷過電壓的影響因素，提出了在電感兩端并聯(lián)續(xù)流二極管和在晶閘管兩端并聯(lián)緩沖電路的解決方案，并開展了大量試驗(yàn)研究，最后進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)后樣機(jī)的短路分?jǐn)嘣囼?yàn)，驗(yàn)證了所提過電壓抑制方案的有效性。得到的主要結(jié)論有：

1）四種不同型號(hào)晶閘管關(guān)斷相同正向電流峰值和下降率的電流時(shí)，反向電流峰值IRM相近，晶閘管過電壓特性與器件額定電流有關(guān)，額定電流值大的晶閘管過電壓峰值和電壓上升率也越大，因此，直流斷路器設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)在滿足通流要求的晶閘管中選擇額定電流小一些的晶閘管；

2）隨著電容充電電壓增大，放電電流正向峰值IFM成正比增大，反向電流峰值IRM、反向恢復(fù)電荷Qrr和過電壓峰值隨IFM的增大而增大；關(guān)斷相同電流下降率的電流時(shí)，反向電流峰值IRM、反向恢復(fù)電荷Qrr和過電壓峰值隨IFM的增大而增大；

3）晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷回路中，電感并聯(lián)續(xù)流二極管和晶閘管并聯(lián)RC緩沖電路都能有效降低晶閘管關(guān)斷時(shí)的過電壓，其中，電感并聯(lián)續(xù)流二極管的效果更為明顯；

4）四種緩沖電路參數(shù)限壓效果最好的是RCD-Ⅰ型的7.5 μF+1 Ω的組合，限壓效果最差的是7.5 μF+5 Ω 的組合，1 μF+1 Ω 的限壓效果要好于 RCD-Ⅱ型1 μF單獨(dú)作用的限壓效果。

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Research on Suppression of Thyristor’s Turn-off Over-Voltage for a Hybrid DC Circuit Breaker

Wang Chen1, Xu Jianlin2
(1. The 54 th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China; 2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Hybrid DC circuit breaker consists of high speed electro-magnetic repulsion switch and solid-state switch in parallel. In this paper, the suppression method of thyristor’s turn-off over-voltage for a hybrid DC circuit breaker is researched. The effect factors of thyristor’s turn-off over-voltage are analyzed.The solution by connecting the freewheel diode to the inductance in parallel and connecting snubber circuit to thyristor is proposed. The contrast tests of different snubber circuits and with the freewheel diode or not are carried out. The short-circuit test of optimized prototype is finished and the effectiveness of suppression method is demonstrated.

hybrid; DC circuit breaker; thyristor; forced turn-off; over-voltage

TM471

A

1003-4862（2017）10-0001-06

2017-01-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51307179）：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51377166）

王晨(1981-)，男，博士，工程師，主要研究方向是通信系統(tǒng)與工程、電氣工程。

E-mail: wangchen421@163.com