李 博，彭振東，楊晨光，任志剛

基于改善真空開(kāi)關(guān)弧后d/d型混合直流斷路器

李 博，彭振東，楊晨光，任志剛

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

強(qiáng)迫換流結(jié)束時(shí)刻真空開(kāi)關(guān)兩端電壓會(huì)以階躍形式上升至較大幅值，過(guò)大的電壓峰值及變化率會(huì)直接增大弧后觸頭表面的電場(chǎng)強(qiáng)度及功率密度，從而影響其分?jǐn)嗫煽啃?。本文旨在通過(guò)真空開(kāi)關(guān)串聯(lián)二極管及并聯(lián)RC吸收支路的試驗(yàn)方案達(dá)到顯著減小真空開(kāi)關(guān)電壓變化率的目的，依次開(kāi)展了23kA電流等級(jí)分?jǐn)嘣囼?yàn)，并探究二極管有無(wú)RC吸收支路對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，最后基于MATLAB/simulink仿真軟件選取真空開(kāi)關(guān)吸收支路的參數(shù)，并將仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了方案的合理性與有效性。

強(qiáng)迫換流分?jǐn)嗫煽啃?電壓變化率 吸收支路

0 引言

具有容量大、阻抗小、易控制等優(yōu)勢(shì)的直流輸電系統(tǒng)是當(dāng)今乃至未來(lái)發(fā)展的潮流，直流斷路器作為系統(tǒng)的核心保護(hù)裝置一直是科研工作者的研究和優(yōu)化目標(biāo)，目前國(guó)網(wǎng)已大力發(fā)展柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的直流保護(hù)設(shè)備的研制。采取自然換流和強(qiáng)迫換流方式的混合式直流斷路器（hybrid dc circuit breaker，HDCCB）正常工作時(shí)由旁路機(jī)械開(kāi)關(guān)及真空開(kāi)關(guān)承擔(dān)負(fù)載電流，線路損耗較?。划?dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障電流首先在機(jī)械開(kāi)關(guān)弧壓作用下自然轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體支路，隨后在反脈沖放電支路投入后強(qiáng)迫轉(zhuǎn)移至換流支路，最終通過(guò)避雷器吸收系統(tǒng)能力并限制過(guò)電壓。整個(gè)分?jǐn)噙^(guò)程動(dòng)作快速性較于傳統(tǒng)的機(jī)械式和空氣式斷路器都得到進(jìn)一步提高，且電弧能量較小防止觸頭大面積燒蝕。鑒于以上優(yōu)勢(shì)，混合式直流斷路在未來(lái)艦船輸電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究意義。

1 混合式直流斷路器工作原理

基于自然換流和強(qiáng)迫換流的混合式直流斷路器分?jǐn)喙收想娏魍負(fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，本文采用L1C1合成振蕩回路的脈沖電流上升階段模擬實(shí)際系統(tǒng)故障電流。正常通流狀態(tài)時(shí)，旁路機(jī)械保護(hù)開(kāi)關(guān)BPS和真空開(kāi)關(guān)VB均處于合閘狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，發(fā)出BPS分閘信號(hào)，機(jī)械開(kāi)關(guān)觸頭動(dòng)作并產(chǎn)生電弧電壓使二極管組件D1開(kāi)通，故障電流迅速向D1支路轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移完成后換流支路L2C2隨后投入，真空開(kāi)關(guān)VB支路電流過(guò)零即能完成可靠分?jǐn)?。其中?qiáng)迫分?jǐn)噙^(guò)程中，若VB在電流一次過(guò)零時(shí)未能完成可靠分?jǐn)?，二極管D1組件的反向阻斷過(guò)程能防止大電流注入真空間隙，為真空介質(zhì)提供過(guò)零恢復(fù)時(shí)間，以便換流支路放電脈沖上升至峰值后的下降階段與主回路電流再次相等時(shí)的二次過(guò)零時(shí)刻成功分?jǐn)唷７謹(jǐn)噙^(guò)程預(yù)期電流波形及對(duì)應(yīng)的時(shí)序如圖2所示，在分?jǐn)啻箅娏鳝h(huán)境下，真空弧室電流零后介質(zhì)恢復(fù)進(jìn)程是分?jǐn)喑晒εc否的關(guān)鍵，介質(zhì)恢復(fù)電壓以階躍式上升至峰值，極高的電壓變化率嚴(yán)重影響弧后鞘層的發(fā)展速度。

圖1 混合直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 改善二次過(guò)零后恢復(fù)電壓變化率

圖2 混合直流斷路器開(kāi)斷預(yù)期電流波形及時(shí)序圖

圖1強(qiáng)迫換流階段的試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1所示，當(dāng)真空開(kāi)關(guān)在電流一次過(guò)零時(shí)未能成功分?jǐn)?，由二極管D1反向恢復(fù)結(jié)束后阻斷回路電流。若D1加裝有RC吸收支路及避雷器過(guò)電壓保護(hù)支路，在真空開(kāi)關(guān)電流二次時(shí)不能可靠熄弧，則換流支路不斷通過(guò)D1的 RC支路向真空間隙注入漏電流，使真空開(kāi)關(guān)一直處于小電流燃弧狀態(tài)，嚴(yán)重影響介質(zhì)可靠恢復(fù)。

表1 試驗(yàn)參數(shù)值

圖3 二次過(guò)零時(shí)刻D1有無(wú)RC支路試驗(yàn)結(jié)果

圖4 二次過(guò)零后欠阻尼等效回路

圖3為D1有無(wú)加裝RC吸收支路(僅有避雷器保護(hù))情況下二次過(guò)零時(shí)刻對(duì)應(yīng)的恢復(fù)電壓波形。對(duì)比可知，當(dāng)D1有RC保護(hù)時(shí)，二次過(guò)零后會(huì)形成如圖4所示的放電回路，由于真空開(kāi)關(guān)VB的分布電容，該回路滿足欠阻尼高頻振蕩放電條件，且P極小有短時(shí)分壓過(guò)程，因此VB會(huì)以階躍式上升至2C2/(2+P)；而在D1有RC保護(hù)時(shí)，D1反向恢復(fù)結(jié)束后即可阻斷換流支路對(duì)P的充電，恢復(fù)電壓變化率及恢復(fù)電壓峰值都得到大幅度減小，且消除了高頻振蕩現(xiàn)象。

3 改善一次過(guò)零后恢復(fù)電壓變化率

如圖5所示，由真空開(kāi)關(guān)VB阻斷回路電流的一次過(guò)零后，D1仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)無(wú)論二極管D1是否加裝RC吸收支路，VB兩端均呈現(xiàn)極大恢復(fù)電壓變化率。因此引入了圖6所示的VB兩端并聯(lián)RC保護(hù)支路的方案。

圖5 一次過(guò)零后欠阻尼等效回路

圖6 真空開(kāi)關(guān)并聯(lián)RC保護(hù)支路

真空開(kāi)關(guān)未采取吸收支路，其過(guò)零后恢復(fù)電壓變化率最大值為：

VB分布電容P為pF級(jí)，過(guò)零后VB恢復(fù)電壓變化率高達(dá)幾kV/μs數(shù)量級(jí)。并聯(lián)RC支路后VB兩端電壓大小及變化率由其電流過(guò)零后換流支路給S高頻充電過(guò)程決定。吸收電阻S的參數(shù)選取可遵循條件：

根據(jù)表1的參數(shù)，試驗(yàn)中真空開(kāi)關(guān)過(guò)零附近電流變化率約200 A/μs，若將真空開(kāi)關(guān)過(guò)零后電壓變化率限制在500 V/μs以下，根據(jù)上述約束條件，吸收電阻初步取值為S=2 Ω。當(dāng)S=2 Ω，吸收電容分別取值1 μF、3 μF、5 μF、7 μF，9 μF時(shí)，對(duì)應(yīng)的真空開(kāi)關(guān)VB電流過(guò)零后兩端電壓仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 真空開(kāi)關(guān)電壓隨CS的變化情況

增大吸收電容有助于減小電流過(guò)零后VB兩端電壓變化率，但當(dāng)S＞3 μF后，改善趨勢(shì)已逐漸飽和，保護(hù)電容可取值3 μF。當(dāng)S=3 μF時(shí)，保護(hù)電阻分別取值1 Ω、2 Ω、3 Ω、4 Ω、5 Ω時(shí)，對(duì)應(yīng)的真空開(kāi)關(guān)VB電流過(guò)零后其兩端電壓及電壓變化率仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 真空開(kāi)關(guān)電壓隨RS的變化情況

減小吸收電阻S有助于改善真空開(kāi)關(guān)電流過(guò)零后的電壓變化率，但同時(shí)VB電壓峰值逐漸增大，為將VB電流一次過(guò)零后反向電壓峰值限制在-5 kV以內(nèi)，取S=2 Ω，S=3 μF，最終將VB電流兩次過(guò)零后的電壓變化率最大值均維持在約300 V/μs，真空開(kāi)關(guān)VB兩端電壓分別在有無(wú)并聯(lián)RC保護(hù)支路情況下的仿真與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

采取RC保護(hù)支路后，消除了真空開(kāi)關(guān)在電流過(guò)零后分布電容P造成的高頻振蕩現(xiàn)象，并顯著改善真空開(kāi)關(guān)兩端過(guò)高u/t導(dǎo)致的弧后重?fù)舸┬?yīng)。

4 總結(jié)

1）本文首先介紹了基于自然換流和強(qiáng)迫換流的混合式直流斷路器工作原理，并分析影響真空開(kāi)關(guān)分?jǐn)嘈阅艿囊蛩亍?/p>

圖9 真空開(kāi)關(guān)有無(wú)并聯(lián)RC支路時(shí)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

2）介質(zhì)恢復(fù)電壓變化率過(guò)高會(huì)嚴(yán)重影響弧后鞘層的發(fā)展速度，通過(guò)去除串聯(lián)二極管D1的吸收支路可緩解真空開(kāi)關(guān)電流二次過(guò)零后電壓變化率并同時(shí)減小恢復(fù)電壓峰值。

3）在真空開(kāi)關(guān)兩端并聯(lián)RC保護(hù)支路，可消除其電流一次過(guò)零后恢復(fù)電壓變化率及分布電容帶來(lái)的高頻振蕩現(xiàn)象，并結(jié)合MATLAB/simulink仿真分析合適的保護(hù)支路參數(shù)。

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A d/dHybrid DC Circuit Breaker Based on Arcing-improved

Li Bo, Peng Zhendong, Yang Chenguang,Ren Zhigang

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

TM561

A

1003-4862（2019）08-0023-04

2019-1-25

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