李 博，彭振東，沙新樂，楊晨光

?

混合直流斷路器自然換流過程中弧壓的測量及建模

李 博，彭振東，沙新樂，楊晨光

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

混合式斷路器的電流轉(zhuǎn)移主要有自然換流和強迫換流兩種方式，其中自然換流是在機械開關(guān)斥力機構(gòu)驅(qū)動觸頭分閘過程中產(chǎn)生電弧電壓的作用下迫使故障電流由機械開關(guān)向半導(dǎo)體開關(guān)轉(zhuǎn)移的過程，該階段電弧電壓的大小及變化過程對轉(zhuǎn)移時間有著至關(guān)重要的影響。本文通過實驗精確測量12 kA電流等級下真空電弧電壓的大小及變化規(guī)律，并利用PSCAD/EMTDC 建立電弧電壓數(shù)學(xué)模型，最后將該電流等級下?lián)Q流時間的仿真計算和實驗實測結(jié)果進行對比，驗證了真空電弧電壓模型的可靠性與正確性。

混合式斷路器 自然換流 電弧電壓 轉(zhuǎn)移時間

0 引言

當(dāng)今直流配電系統(tǒng)廣泛受到關(guān)注，作為電力系統(tǒng)中核心保護設(shè)備，中壓直流斷路器也成為人們的研究熱點之一。不同于交流背景可在自然過零點關(guān)斷，直流領(lǐng)域下的斷路器需要人工過零點才能完成可靠分?jǐn)?。最常見的方法主要有利用機械開關(guān)分?jǐn)噙^程產(chǎn)生的電弧電壓迫使電流向半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)移的自然換流和利用高頻反脈沖支路進行電流轉(zhuǎn)移的強迫換流，本文著重分析了自然換流真空電弧電壓的變化規(guī)律及對電流轉(zhuǎn)移時間的影響。

混合式斷路器結(jié)合機械開關(guān)靜態(tài)通流損耗低和固態(tài)器件動態(tài)動作快速兩種優(yōu)勢成為當(dāng)下中壓直流系統(tǒng)保護設(shè)備的首選[1,2]。短路故障發(fā)生時，系統(tǒng)電流以高變化率急劇上升，為了快速切斷故障電流，保護系統(tǒng)設(shè)備不受損害，需要保護設(shè)備動作可靠且迅速，因此需要盡量縮短自然換流過程中電流轉(zhuǎn)移時間。

1 真空弧壓測量原理

電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，在自然換流過程中，系統(tǒng)電流以一定變化率上升。本實驗通過LC脈沖放電回路模擬系統(tǒng)故障電流。為了研究混合式斷路器真空開關(guān)電流向半導(dǎo)體開關(guān)轉(zhuǎn)移過程，需要對該階段電弧電壓的特性進行分析。具體電弧電壓測量原理圖如圖1所示，其中P為脈沖放電回路儲能電容，P為脈沖放電回路調(diào)波電感（包括回路線路電感），D1為整流二極管，F(xiàn)V為真空觸發(fā)控制開關(guān)，VB為快速真空機械開關(guān)，V為真空開關(guān)VB支路雜散電感。

本文支持單值、模糊單值、區(qū)間值三種QoS數(shù)值表達方式。如，響應(yīng)時間為單值屬性；安全性描述為一個集合{高，中，低}對應(yīng)的數(shù)值描述為{3,2,1}，為模糊單值屬性；價格區(qū)間100元以內(nèi)，為區(qū)間型屬性。本文將數(shù)值進行統(tǒng)一劃歸成精確型單值數(shù)據(jù)來表示。

圖1 真空電弧電壓測量電路

實驗步驟具體如下[3]：

4.藥物濃度檢測：特殊人群如兒童、妊娠婦女及腎功能不全患者等用藥在條件允許情況下可進行治療藥物濃度監(jiān)測（TDM）。

滿足電流成功從VB轉(zhuǎn)移至T的條件是VB支路電流能夠過零，即V＜0：

基礎(chǔ)護理包括飲食護理,環(huán)境護理等。飲食護理,護理人員應(yīng)為患者制定健康飲食計劃,告知患者及其家屬按合理膳食,飲食計劃多吃易消化食物,多食用流質(zhì)食物,重視營養(yǎng)素的攝入量,不可通過口服的病人應(yīng)該給予鼻胃管小量持續(xù)注射營養(yǎng)物。生活環(huán)境護理,定期幫助病人擦洗身體,保持皮膚清潔;定期清潔和更換病人的床單,保持床單清潔;定期幫助患者翻身并預(yù)防褥瘡感染;定期口腔護理患者保持口腔清潔;保持房間清潔和通風(fēng)良好。

黑粉是天然氣外輸管道中經(jīng)常遇到的污染物[1-10]，黑粉的出現(xiàn)會造成管道管輸量下降、堵塞儀表和閥門、降低壓縮機壓縮效率等一系列問題[9]，嚴(yán)重影響天然氣的正常輸送和下游用戶的正常生產(chǎn)。通過對黑粉成分進行分析，一般認(rèn)為黑粉由鐵硫化物、碳酸鐵、氧化鐵、硫磺、沙粒等組成[10]。黑粉問題最早出現(xiàn)在天然氣管道建設(shè)較早的國家，如美國、加拿大等國[13-16]。近年來，隨著我國輸氣管線的大規(guī)模建設(shè)和相繼投入運營，黑粉也逐漸出現(xiàn)在輸氣管網(wǎng)中。

(一)結(jié)構(gòu)特點。在筆者所收集的網(wǎng)絡(luò)流行語中，偏正結(jié)構(gòu)居多，有20多個，占所收集流行語的40.8%，其中又以定中結(jié)構(gòu)為主，是偏正結(jié)構(gòu)的85%，占總數(shù)的34.7%.主謂結(jié)構(gòu)、聯(lián)合結(jié)構(gòu)各占總數(shù)的6.1%，動賓結(jié)構(gòu)、動補結(jié)構(gòu)分別占10.2%和4%。(如下圖)

互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，不但改變了資訊流動的方式，更推動了新的公司范式和財富積累運動。于颶風(fēng)集團而言，主平臺颶風(fēng)網(wǎng)的建立并不是目的所在，而是一種手段，其著眼于“制造+渠道+技術(shù)+物流+金融+互聯(lián)網(wǎng)”的創(chuàng)新型戰(zhàn)略整合，希冀打造印刷供應(yīng)鏈從生產(chǎn)到售后的生態(tài)閉環(huán)。這種發(fā)展思路所在，或是因為颶風(fēng)集團的前身是中山市富日印刷材料有限公司，一家生產(chǎn)印刷耗材的制造企業(yè)，有著對于印刷行業(yè)的充分認(rèn)識以及良好的產(chǎn)品和客戶資源。

真空電弧電壓擬合曲線分段函數(shù)表達式為：

由于真空機械開關(guān)VB支路雜散電感的存在，在脈沖放電回路電流變化的情況下會在VB上產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動勢，為了精確測量真空電弧電壓的大小，必須排除感應(yīng)電動勢的影響。因此測量VB分閘和合閘兩種狀態(tài)下的電壓，兩種之差即為真空電弧電壓，表達式如下式所示：

2 真空電弧電壓建模

基于上述電弧電壓測量原理，脈沖放電回路儲能電容P取值7.2 mF，調(diào)波電感P（包括線路電感）取值65 μH，預(yù)充電電壓取1200 V可得預(yù)期峰值12 kA的脈沖電流，測得真空電弧電壓隨放電回路電流的變化趨勢如下圖2所示，由于VB在脈沖電流峰值分閘，在后半波過程中，脈沖電流逐漸減小，感應(yīng)電動勢為負(fù)值，因此實際真空電弧電壓大于測量值V1。

圖2 真空電弧電壓隨電流變化趨勢

通過PSCAD/EMTDC仿真軟件建立上述電弧電壓表達式的數(shù)學(xué)模型及曲線分別如圖4和圖5所示，弧壓持續(xù)時間約0.3 ms，峰值為28 V。

3）繼續(xù)給儲能電容預(yù)充至相同電壓，控制真空觸發(fā)開關(guān)FV導(dǎo)通形成脈沖放電，保持真空機械開關(guān)VB合閘狀態(tài)，測量VB兩端電壓V2。

本實驗真空弧室選擇橫向磁場觸頭結(jié)構(gòu)，觸頭選用CuCr50材料，根據(jù)真空電弧理論，真空電弧電壓主要由近極壓降和弧柱壓降構(gòu)成。近極壓降與觸頭材料有關(guān)，而弧柱壓降與區(qū)域內(nèi)的等離子體密度有關(guān)。當(dāng)觸頭開始動作時，電弧電壓以近似階躍形式上升至24 V左右的近極壓降。隨后，隨著觸頭開距增大為等離子體形成階段，觸頭間真空區(qū)域開始燃弧，從真空電弧電壓變化趨勢來看，此過程弧壓以近似直線趨勢上升。由于本實驗產(chǎn)生的電流大于10 kA（大電流電?。?，電弧電阻表現(xiàn)為正的伏安特性[4,5]。當(dāng)真空機械開關(guān)中電流逐漸減小時，等離子體濃度開始減小并考慮一定的冷卻效應(yīng)，電弧逐漸熄滅，弧壓開始急劇減小。以10 kA為界限，可將12 kA放電電流等級下的真空電弧電壓分別擬合為區(qū)間在[0，10 kA]隨電流變化的曲線以及區(qū)間在（10 kA，12 kA]隨時間變化的曲線，真空電弧電壓分段擬合曲線如圖3所示。

3 仿真與實驗驗證分析

轉(zhuǎn)移過程中真空機械開關(guān)VB支路及晶閘管T支路的電流表達式為：

圖3 真空電弧電壓實測及擬合曲線

圖4 真空電弧電壓PSCAD數(shù)學(xué)模型

圖5 真空電弧電壓建模曲線

圖6 自然換流實驗電路圖

轉(zhuǎn)移過程等效電路如圖7所示，其中0為放電回路電流，由于電流轉(zhuǎn)移過程極快，假設(shè)在換流階段0為恒定值。V，V分別為真空機械開關(guān)支路等效電阻和雜散電感；T，T分別為晶閘管T支路的通態(tài)電阻和雜散電感；arc為真空開關(guān)電弧電壓；T為晶閘管T通態(tài)壓降。

圖7 轉(zhuǎn)移過程等效原理圖

根據(jù)KCL，KVL定理，電流轉(zhuǎn)移回路方程為：

自然換流過程實驗電路原理如下圖6所示，圖中轉(zhuǎn)移用晶閘管T選用臺基KKM4000-48單管，D2為反并二極管，用于保障晶閘管反向過電壓而不被損壞。脈沖放電回路線路電阻忽略不計，當(dāng)脈沖放電回路放電電流上升至峰值時，驅(qū)動真空機械開關(guān)VB分閘，經(jīng)過一段時間觸發(fā)晶閘管T導(dǎo)通，在電弧電壓的作用下放電電流開始由VB向T轉(zhuǎn)移。

1）首先給儲能電容P預(yù)充至一定電壓，由于回路參數(shù)已確定，根據(jù)不同電流等級可確定預(yù)充電壓大小。

arc＞0T+T(5)

因此真空電弧電壓必須大于晶閘管支路壓降才能保障電流成功轉(zhuǎn)移。另外，在滿足電流能夠成功轉(zhuǎn)移的前提條件下，轉(zhuǎn)移時間表達式為：

決策鏈包括規(guī)則制定和資源分配兩個方面，二者主要涉及政治價值。決策鏈?zhǔn)枪倭畔到y(tǒng)運行鏈的前段，需注重代表性、回應(yīng)性、公平公正、公開透明等原則，保持政治價值理性。規(guī)則制定是指中高層領(lǐng)導(dǎo)干部制定的組織戰(zhàn)略、改革方案、執(zhí)行細(xì)則等一系列指導(dǎo)性規(guī)則。在規(guī)則制定過程中要與黨和國家的意志和原則保持一致，保證政策或制度的代表性和回應(yīng)性，保護公民權(quán)益不受侵害。資源分配是指決策過程中為保障制度規(guī)則順利實施而將權(quán)力、資金、人員等相關(guān)資源分配給政策執(zhí)行主體。資源分配應(yīng)秉承公平正義和公開透明原則，一旦出現(xiàn)資源分配過程中的權(quán)力尋租、資源配置畸形等不合理現(xiàn)象，必須引起高度重視，深究問題線索，消除腐敗苗頭。

分析上述表達式可知，實際電流轉(zhuǎn)移時間主要與arc、T、V和T有關(guān)，T和V的大小則影響甚微[3,6]。因此，增大真空電弧電壓arc并減小真空機械開關(guān)VB支路雜散電感V、晶閘管T支路雜散電感T以及晶閘管通態(tài)壓降T有助于減小電流轉(zhuǎn)移時間，當(dāng)故障電流轉(zhuǎn)移過慢時，會影響真空開關(guān)絕緣介質(zhì)的恢復(fù)進程。因此，優(yōu)化支路雜散參數(shù)及研究真空電弧電壓在轉(zhuǎn)移過程中的變化有著重要意義。

圖6對應(yīng)的各器件參數(shù)如表1所示，在PSCAD/EMTDC軟件中搭建如圖4所示電路并賦予下述參數(shù)值，其中真空開關(guān)VB及晶閘管T的等效電阻和雜散電感通過ANSYS/Q3D計算得出，電流轉(zhuǎn)移過程如圖8所示。

表1 仿真參數(shù)

圖8 電流轉(zhuǎn)移過程仿真波形

對比仿真與實驗實測電流轉(zhuǎn)移時間，結(jié)果如下圖9所示，考慮實際實驗各支路雜散參數(shù)應(yīng)大于仿真數(shù)值，實測轉(zhuǎn)移時間略大于仿真值，但差值在可接受范圍內(nèi)，驗證了真空電弧電壓數(shù)學(xué)模型及轉(zhuǎn)移過程仿真結(jié)果的正確性。

4 總結(jié)

1）真空電弧電壓的真實值應(yīng)為真空機械開關(guān)分閘狀態(tài)下兩端電壓和未分閘狀態(tài)下兩端電壓（雜散電感引起的感應(yīng)電動勢）之差。實際電流轉(zhuǎn)移時，真空機械開關(guān)支路電流逐漸減小，感應(yīng)電動勢為負(fù)值，所以弧壓應(yīng)大于真空機械開關(guān)未分閘狀態(tài)下兩端電壓值。

圖9 仿真電流轉(zhuǎn)移時間與實測電流轉(zhuǎn)移時間

2）真空機械開關(guān)觸頭開始動作時，首先是等離子體形成階段，真空弧壓階躍上升至24 V左右的近極壓降，隨后隨著電弧燃燒，弧壓開始線性上升，此階段可將弧壓擬合成隨時間變化的曲線；然后電弧電流開始減小，電弧等離子體開始冷卻，電弧逐漸熄滅，弧壓急劇減小，此階段可將弧壓擬合成隨電弧電流變化的曲線。

3）解析自然換流過程轉(zhuǎn)移時間數(shù)學(xué)表達式，真空電弧電壓大小及變化規(guī)律對轉(zhuǎn)移時間大小有著顯著影響，通過PSCAD仿真軟件對真空弧壓進行數(shù)學(xué)建模并計算轉(zhuǎn)移時間，仿真和實驗結(jié)果較為吻合。

[1] 鄭占峰.直流開斷與直流斷路器[J]. 高壓電器, 2006, 42(6): 445-449.

[2] 徐國順. 混合型快速直流開斷的短時短間隙電弧現(xiàn)象[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2017, 37(4): 0986-0996.

[3] 呂鋼. 10kV自然換流型混合式直流斷路器中真空電弧電流轉(zhuǎn)移特性研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2017, 37(4): 1012-1020.

[4] 董曼玲. 觸發(fā)真空開關(guān)大電流電弧特性研究[J]. 中國電機工程學(xué)會高壓專委會2007年學(xué)術(shù)年會論文集.

[5] 朱童. 混合式直流斷路器模型及其操作暫態(tài)特性研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2016, 36(1): 0018-0030.

[6] 呂瑋. 基于電弧電壓的混合型直流斷路器[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(11): 83-87.

[7] I.G.Brown, B.Feinberg. Multiply stripped ion generation in the metal vapor vacuum arc.[J]. Journal of Applied physics, Vol 63, No.10, 1988.

[8] P.van.Gelder. Zero volt switching hybrid DC circuit breakers[J]. IEEE. Xplore, 06, August 2002: 2923-2927.

Measurement and Modeling of Vacuum Arc Voltage in the Natural-commutate of Hybrid DC Circuit Breaker

Li Bo, Peng Zhendong, Sha Xinle, Yang Chenguang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM721

A

1003-4862（2019）02-045-04

2018-12-26

李博（1991-），男，助理工程師。研究方向：中壓直流斷路器。E-mail: 429595691@qq.com