劉湘衡

一種混合式斷路器自然換流過程改進措施

劉湘衡

(海軍裝備部，武漢 430064)

針對自然換流過程中電流轉(zhuǎn)移時間過長等問題，本文提出一種采用外加高頻變換磁場，利用機械開關在高頻磁場中產(chǎn)生的感應電動勢和機械開關電弧電壓的疊加，以增大故障電流轉(zhuǎn)移階段中機械開關支路電壓，減小電流轉(zhuǎn)移時間的方案。在利用Q3D提取了機械開關支路的雜散電感的基礎上，進行了改進方案的仿真分析。結果表明，所提方案能大幅縮短故障電流的轉(zhuǎn)移時間，確保斷路器分斷的可靠性。

換流 混合式斷路器 半導體 高頻磁場

0 引言

混合式斷路器具有導通損耗低，關斷能力強，壽命長等一系列優(yōu)點，是電力系統(tǒng)中有效的故障保護裝置。當短路故障發(fā)生后，混合式斷路器中的機械開關斷開，在弧壓作用下，短路電流由機械開關支路轉(zhuǎn)移到半導體開關中。機械開關打開后的弧壓較低（通常在30 V左右）。由于短路電流上升率較快，在回路雜散電感以及半導體開關通態(tài)壓降的影響下，導致電流轉(zhuǎn)移時間過長，甚至出現(xiàn)電流轉(zhuǎn)移失敗問題，嚴重威脅了混合式斷路器工作的可靠性。

目前，國內(nèi)外很多學者開展了關于混合式斷路器電流轉(zhuǎn)移過程中關鍵問題的研究。文獻[1]提出，采用在機械開關支路串聯(lián)全控型半導體器件的方案，增大電流轉(zhuǎn)移過程中的電壓，以確保電流的安全轉(zhuǎn)移。然而，這樣會導致斷路器正常工作狀態(tài)下通態(tài)損耗的增加；文獻[3]中采用增大機械開關斷口的數(shù)量，以增大轉(zhuǎn)移過程中電弧電壓。然而，該方案只適用于低電壓等級的混合式斷路器，隨著電壓等級升高，該方案不再適用。

文獻[4]指出，在高電流上升率的短路工況下，機械開關支路和半導體開關支路的雜散電感是影響電流轉(zhuǎn)移的重要因素。短路電流快速上升過程，雜散電感反向感應電動勢的影響，是導致電流轉(zhuǎn)移時間過長，甚至電流轉(zhuǎn)移失敗的癥結所在?；诖耍疚奶岢?，采用外加高頻磁場的方案，利用感應磁場作用，在機械開關支路的雜散電感上感應出正向的電動勢，以增大支路電壓，促進電流向半導體開關支路轉(zhuǎn)移，減小電流轉(zhuǎn)移時間，確保斷路器工作的可靠性。

1 自然換流過程分析研究

混合式斷路器結構拓撲如圖1所示，包括機械開關支路、半導體開關支路和限壓耗能裝置。

圖1 混合式斷路器結構拓撲

短路電流從機械開關中轉(zhuǎn)移到半導體開關中的過程稱為自然換流過程。自然換流過程中的等效電路如圖2所示。其中，1表示機械開關打開后的電弧電壓，s1表示機械開關支路的雜散電感，2表示半導體開關的通態(tài)壓降，s2表示半導體開關支路的雜散電感。

圖2 自然換流過程等效電路

根據(jù)基爾霍夫定律，得到自然換流過程中的微分方程組如式（1）所示：

以5 kV電力系統(tǒng)為例，記短路故障發(fā)生時刻為零時刻，故障發(fā)生后，系統(tǒng)短路電流如式（2）：

若電力系統(tǒng)額定電流=5 kA，短路電流峰值∞=120 kA，短路時間常數(shù)=5 ms。半導體開關支路雜散電感s2=0.05 μH。聯(lián)立方程組（1）和（2），可得電流轉(zhuǎn)移時間Δ隨著機械開關支路雜散電感s1增大而變化的曲線如圖3所示。

由圖3可知，隨著機械開關支路雜散電感增加，電流轉(zhuǎn)移時間大幅增加，最終導致?lián)Q流不成功，短路開斷失敗。在短路電流快速上升過程中，電流轉(zhuǎn)移時間的增加，意味著最終轉(zhuǎn)移到半導體開關支路中的電流將會增多，導致半導體開關的關斷壓力增大，甚至引起半導體開關的功率擊穿問題。

圖3 隨著雜散電感Ls1增加，電流轉(zhuǎn)移時間變化趨勢

以5 kV混合式斷路器為例，采用ANSYS EM提取回路雜散參數(shù)，如圖4所示，得到雜散電感s1=0.374 μH。

圖4 機械開關支路雜散電感提取

在MATLAB/Simulink中進行電流轉(zhuǎn)移過程仿真分析。系統(tǒng)中額定電流5 kA，在0.7 ms時發(fā)生短路故障，短路電流按式（2）所示上升，機械開關接收到分斷命令后，經(jīng)過300 μs的固有延遲時間開始分斷，自然換流過程中各支路電流波形如圖5所示。

圖5 自然換流過程各支路電流波形

據(jù)圖5可知，電流轉(zhuǎn)移時間達589 μs，電流轉(zhuǎn)移完成后，短路電流達25 kA，會為半導體開關的關斷帶來很大的負擔。

2 外加磁場對自然換流過程的影響

文獻[5]指出，影響自然換流過程中的主要因素包括機械開關支路電壓和雜散電感、半導體開關支路的通態(tài)壓降和雜散電感。由于機械開關支路中的弧壓主要取決于觸頭的材料以及開距，很難從根本上明顯減小電流轉(zhuǎn)移時間。半導體開關支路中器件一旦選定，也無法通過外部手段明顯減小電流轉(zhuǎn)移時間。若在機械開關支路外加高頻變換磁場，將機械開關支路雜散電感在磁場中感應電動勢與機械開關電弧電壓1進行疊加，能明顯增大機械開關支路的電壓，減小故障電流的轉(zhuǎn)移時間，從而降低半導體開關開斷故障電流峰值。拓撲結構如圖 6所示。

圖6 改進型混合式斷路器結構拓撲

其中高頻變換磁場由脈沖放電回路產(chǎn)生，如圖7所示。令電感與機械開關支路中雜散電感s1形成耦合回路，在機械開關斷開的同時，觸發(fā)晶閘管T導通。在雜散電感s1上感應電動勢和機械開關弧壓的疊加作用下，促進短路電流轉(zhuǎn)移。

圖7 LC脈沖測試回路

利用ANSYS EM提取雜散電感，如圖8所示。得到=16μH，s1=0.374μH，互感=0.9μH。

圖8 改進型方案機械開關支路雜散電感提取

圖9 改進型方案自然換流過程仿真回路

根據(jù)上述分析，在MATLAB/Simulink中搭建仿真回路如圖9所示。其中脈沖放電回路中電容=1 mF，充電5 kV，電感=36 μH。

電流轉(zhuǎn)移過程各支路電流波形如圖10所示，可知，相同工況下，整個電流轉(zhuǎn)移過程僅為176 μs。電流轉(zhuǎn)移完成后，短路電流值為15 kA.

圖10 改進型方案自然換流過程各支路電流波形

3 結論

分析表明，采用在機械開關支路外加高頻磁場，利用機械開關支路雜散電感感應電動勢和機械開關弧壓的疊加作用，能促進短路電流由機械開關向半導體開關中的轉(zhuǎn)移，大幅減小自然換流過程中電流轉(zhuǎn)移時間，降低半導體開關中開斷短路電流峰值。對于確保短路器開斷的可靠性以及整個電力系統(tǒng)的安全運行具有重要的意義。

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Improved Scheme for Natural Commutation Process of Hybrid Circuit Breaker

Liu Xiangheng

(The Equipment Department of the Navy, Wuhan 430064, China)

TN34

A

1003-4862（2021）06-0082-03

2021-02-22

劉湘衡（1987-），男，碩士。研究方向：船舶保障。E-mail: 408668498@qq.com