施 源

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

軌道交通、遠距離直流高壓輸電系統(tǒng)、可再生能源直流微電網(wǎng)等直流電力系統(tǒng)發(fā)展迅猛，直流斷路器作為直流電網(wǎng)安全運行和保護的關(guān)鍵設(shè)備，其性能是制約直流系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。基于強迫換流原理的混合式限流直流斷路器具有通流能力和分?jǐn)嗄芰姷膬?yōu)點，已成為直流開斷技術(shù)的重要發(fā)展方向[2-3]。

混合式限流直流斷路器一般由分?jǐn)嚅_關(guān)與隔離開關(guān)兩部分串聯(lián)組成，分?jǐn)嚅_關(guān)通常由三條回路并聯(lián)組成，這三條回路為正常通流回路、強迫換流回路和限壓吸能回路。

電路參數(shù)設(shè)計是短路電流能否迅速換流的關(guān)鍵[4]，無法換流或換流速度過慢都會造成短路電流分?jǐn)嗍?。強迫換流回路的電路拓撲與參數(shù)設(shè)計一直都是混合式限流直流斷路器設(shè)計的重點。

雜散電感是由電路中的導(dǎo)體，如連接導(dǎo)線、元件引線、元件本體等呈現(xiàn)出來的等效電感。大容量電力電子變換器對絕緣、耐壓和散熱的要求越來越高，從而使電路越來越復(fù)雜，雜散電感越來越大，對開關(guān)器件的影響也必然越來越大。

2 混合式限流直流斷路器分?jǐn)嘣?/h2>

混合式限流直流斷路器主電路如圖1所示，由高速電磁斥力機構(gòu)SW、強迫換流回路和非線性氧化物金屬電阻MOV三部分并聯(lián)而成[5]。圖2所示為混合式限流直流斷路器仿真波形，額定電流為450A，應(yīng)能分?jǐn)喾逯禐?0kA的短路電流。短路故障快速檢測系統(tǒng)配合高速機構(gòu)可以在短路電流不到4kA時就開始強迫換流，短路電流不超過 6kA 便已開始減小。系統(tǒng)正常運行時，電流全部從SW上流過。當(dāng)發(fā)生短路故障時，斷路器的短路早期檢測單元檢測到短路故障，并立即向SW發(fā)出關(guān)斷信號。經(jīng)過一定時間的延遲響應(yīng)，SW觸頭斷開并產(chǎn)生電弧，晶閘管T在燃弧后的很短時間內(nèi)被觸發(fā)導(dǎo)通，強迫換流回路的電容放電，與SW的電流對沖，實現(xiàn)強迫換流[6-10]。隨后，電容通過二極管D1繼續(xù)放電，此時SW觸頭兩端有一段時間處于零電壓狀態(tài)，有利于SW觸頭介質(zhì)的恢復(fù)。電容放電完成后，被反向充電，電容反向電壓不斷升高，形成過電壓，主回路電流開始減小。當(dāng)觸頭兩端電壓達到MOV的壓敏電壓值時，MOV導(dǎo)通并開始吸收回路中剩余的能量。最后，剩余能量全部由MOV吸收，主回路電流關(guān)斷。

圖1 混合式限流直流斷路器主電路

圖2 混合式限流直流斷路器仿真波形

3 強迫換流回路雜散電感影響

在強迫換流回路中，電感L參數(shù)的設(shè)計需要綜合考慮多方面因素。由于電感的基本作用是抑制電流過快變化，太大的電感值會使強迫換流回路的電流上升速率變慢，無法較快與短路電流形成對沖。電感值過小，則會導(dǎo)致電容放電的峰值電流很高，對電力電子器件形成嚴(yán)峻考驗。

圖3 強迫換流回路雜散電感影響仿真波形

由圖3可以看出，強迫換流回路雜散電感對短路電流的換流過程影響不大，具體而言，雜散電感的加入會使流過SW觸頭的電流換流至0的時間略有延長，但對于設(shè)計留有余量的換流回路而言基本沒有影響，短路電流完全可以換流。因此，強迫換流回路雜散電感對斷路器短路電流分?jǐn)嗄芰缀鯖]有影響。

4 強迫換流回路與主回路間雜散電感影響

圖4 強迫換流回路與主回路間雜散電感影響仿真波形

由圖4可知，當(dāng)強迫換流回路電容開始放電時，由于雜散電感的作用，原本因觸頭弧壓而截止的D1在電容開始放電時便已經(jīng)導(dǎo)通，電容放電的電流有相當(dāng)一部分從D1中流過，使經(jīng)過SW觸頭和短路電流對沖的電流不足，這樣直到電容電流第二次和短路電流相等時，過SW觸頭的電流依然沒有換流至0，分?jǐn)嗍　？梢?，強迫換流回路與主回路間雜散電感對斷路器短路電流分?jǐn)嗄芰τ蟹浅ｏ@著的影響。為確保短路電流成功分?jǐn)?，在設(shè)計強迫換流回路參數(shù)的同時，要使強迫換流回路與主回路之間的雜散電感盡可能小，即導(dǎo)線要盡可能短。

5 限壓吸能回路雜散電感影響

限壓吸能回路利用MOV的特性設(shè)計而成，MOV在低于閾值電壓時電阻很大，達到閾值電壓后電阻會隨電壓的上升而急劇減小，此時MOV開始吸收分?jǐn)噙^程中的系統(tǒng)儲能，強迫換流回路電流逐漸減小至0。隨著系統(tǒng)儲能被MOV耗散掉，主回路電流減小至0。

圖5 限壓吸能回路雜散電感影響仿真波形

由圖5可見，加入雜散電感前后仿真結(jié)果基本一致，這是由于MOV吸能換流過程發(fā)生在SW觸頭電流已經(jīng)過0之后，因此限壓吸能回路雜散電感對斷路器短路電流分?jǐn)嗄芰]有影響。MOV剛導(dǎo)通時電流很小，此時線路電感也不會造成影響。

6 結(jié)束語

通過分析強迫換流回路、強迫換流回路與主回路間，以及限壓吸能回路雜散電感對混合式限流直流斷路器的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 強迫換流回路雜散電感會使過SW觸頭電流換流至0的時間略有延長，但對于設(shè)計留有余量的換流回路而言，基本沒有影響，短路電流完全可以分?jǐn)啵?/p>

(2) 強迫換流回路與主回路間雜散電感對SW觸頭換流影響很大，在線路設(shè)計雜散電感參數(shù)時需要重點考慮；

(3) 限壓吸能回路雜散電感對混合式限流直流斷路器性能幾乎沒有影響。

鑒于上述仿真分析結(jié)論，在實際工程設(shè)計時，在工況條件允許的情況下，混合式限流直流斷路器中各元器件及接線應(yīng)合理排布，導(dǎo)線應(yīng)盡可能短，從而使強迫換流回路與主回路間雜散電感盡可能小。只有這樣，設(shè)計出的混合式限流直流斷路器才能具有預(yù)期的短路電流分?jǐn)嗄芰Α?/p>

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