茹夢(mèng)歌，彭振東

短路電流對(duì)混合式斷路器關(guān)斷的影響分析

茹夢(mèng)歌，彭振東

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)混合式直流斷路器在短路電流上升沿就開(kāi)始分?jǐn)鄤?dòng)作的特性，展開(kāi)短路電流預(yù)期峰值以及時(shí)間常數(shù)對(duì)斷路器分?jǐn)噙^(guò)程的影響的分析及仿真試驗(yàn)。通過(guò)理論計(jì)算以及搭建仿真模型，得出在不同短路電流和時(shí)間常數(shù)情況下斷路器的各項(xiàng)工作指標(biāo)的變化。

混合式斷路器 短路電流 時(shí)間常數(shù) 關(guān)斷過(guò)程

0 引言

直流電流不存在過(guò)零點(diǎn)，在斷路器分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)，必需強(qiáng)制熄滅電弧才能斷開(kāi)電流[1]；而混合式直流斷路器與傳統(tǒng)的直流斷路器不同，其在短路電流的上升沿就開(kāi)始分?jǐn)嗟膭?dòng)作。因此，其分?jǐn)鄺l件除了受短路電流影響之外，也受時(shí)間常數(shù)的影響[2]。

文獻(xiàn)[3]指出了時(shí)間常數(shù)是直流供配電系統(tǒng)以及直流斷路器的重要參數(shù)，對(duì)直流供配電系統(tǒng)中直流斷路器分?jǐn)嚯娏餍阅苡绊懞艽?，但未分析短路時(shí)間常數(shù)對(duì)斷路器各個(gè)分?jǐn)嘀笜?biāo)的具體影響。

很多文獻(xiàn)都研究過(guò)短路電流對(duì)斷路器是否能關(guān)斷成功的影響，但不同短路電流對(duì)斷路器關(guān)斷過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)的影響尚缺少具體研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文針對(duì)一種混合式直流斷路器，分析它在不同短路電流預(yù)期峰值和時(shí)間常數(shù)下，機(jī)械開(kāi)關(guān)燃弧電流峰值、晶閘管關(guān)斷電流等的變化規(guī)律，并通過(guò)搭建仿真模型，觀察斷路器截?cái)嚯娏?、分?jǐn)鄷r(shí)間、壓敏電阻吸收能量等隨短路電流預(yù)期峰值和系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)的變化規(guī)律。

1 斷路器工作過(guò)程分析

如圖1所示，0和0為系統(tǒng)等效阻感，點(diǎn)為短路點(diǎn)，機(jī)械開(kāi)關(guān)構(gòu)成斷路器的主開(kāi)關(guān)支路，晶閘管1構(gòu)成電流轉(zhuǎn)移支路，晶閘管2、2和2構(gòu)成的強(qiáng)迫關(guān)斷支路，壓敏電阻構(gòu)成限壓耗能支路。

圖1 斷路器拓?fù)鋱D

當(dāng)斷路器成功開(kāi)斷時(shí)，各電流變化如圖2所示。在0時(shí)達(dá)到斷路器關(guān)斷整定值，在1時(shí)，機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)始關(guān)斷，同時(shí)觸發(fā)晶閘管1，使其在弧壓的作用下導(dǎo)通，電流開(kāi)始轉(zhuǎn)移到晶閘管1中；當(dāng)S降到0之后，在2時(shí)觸發(fā)晶閘管2，2、2、1、2回路導(dǎo)通，1中的電流在反向脈沖作用下開(kāi)始下降，電流開(kāi)始對(duì)2反向充電；隨著2電壓升高，達(dá)到的開(kāi)通電壓，壓敏電阻開(kāi)通，電流轉(zhuǎn)移到耗能支路中。

圖2 斷路器關(guān)斷過(guò)程電流波形

斷路器也有關(guān)斷失敗的情況，當(dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)燃弧電流峰值過(guò)大時(shí)，在2開(kāi)通時(shí)，支路上的電流S還未降到零，電流轉(zhuǎn)移失敗造成斷路器關(guān)斷失敗，如圖3所示。即使在2開(kāi)通前S降到0，但若沒(méi)有足夠的介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間，會(huì)重新導(dǎo)通導(dǎo)致關(guān)斷失敗。另外，晶閘管1關(guān)斷失敗，2儲(chǔ)能過(guò)低，以及壓敏電阻等因素均會(huì)造成斷路器關(guān)斷失敗。

圖3 斷路器關(guān)斷失敗電流波形

2 短路電流和時(shí)間常數(shù)對(duì)斷路器關(guān)斷影響的理論分析

從控制系統(tǒng)檢測(cè)到整定電流到發(fā)出關(guān)斷信號(hào)到機(jī)械開(kāi)關(guān)接收到控制信號(hào)并開(kāi)始關(guān)斷，需要一定的間隔時(shí)間。為了簡(jiǎn)化控制，2也需提前設(shè)置好開(kāi)通時(shí)間。

忽略系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電流，則短路電流表達(dá)式為

其中max為短路電流預(yù)期峰值，為時(shí)間常數(shù)，短路電流增長(zhǎng)率為

如圖4所示為斷路器分?jǐn)噙^(guò)程中的一些電流和時(shí)間的概念。在0時(shí)刻短路電流到達(dá)斷路器整定值，1時(shí)刻機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)始關(guān)斷，3時(shí)刻短路電流達(dá)到最大值即斷路器截?cái)嚯娏鳎瑥恼娏髟黾拥浇財(cái)嚯娏鞯臅r(shí)間3-0為斷路器的截?cái)鄷r(shí)間，從整定電流到短路電流降為0的時(shí)間4-0為斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間。

圖4 斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間定義

2.1 時(shí)間常數(shù)的影響

推導(dǎo)出

將式（4）代入式（5）可得

由式（6）可以看出，當(dāng)max保持不變，為定值時(shí)，隨時(shí)間常數(shù)的增大而減小。因此在理想線路和元器件的條件下，機(jī)械開(kāi)關(guān)燃弧電流峰值和晶閘管關(guān)斷電流都隨時(shí)間常數(shù)的增大而減小。

2.2 短路電流預(yù)期峰值的影響

根據(jù)式（2）可知，當(dāng)時(shí)間常數(shù)不變時(shí)，電流增長(zhǎng)率隨max增大而增大，隨時(shí)間的減小而增大。因此當(dāng)時(shí)間常數(shù)不變時(shí)，max越大，短路電流越快到達(dá)整定值，電流增長(zhǎng)率越大，則越大。在理想線路和元器件條件下，機(jī)械開(kāi)關(guān)燃弧電流峰值和晶閘管關(guān)斷電流都隨短路電流預(yù)期峰值的增大而增大。

3 仿真試驗(yàn)分析

在PSCAD中搭建斷路器的仿真模型，通過(guò)改變主系統(tǒng)等效電感，來(lái)改變時(shí)間常數(shù)；通過(guò)同時(shí)改變主系統(tǒng)等效電阻和電感，來(lái)保持時(shí)間常數(shù)不變的同時(shí)改變預(yù)期短路電流峰值。

圖5 不同max和時(shí)燃弧電流峰值

圖5為機(jī)械開(kāi)關(guān)燃弧電流峰值分別隨時(shí)間常數(shù)和預(yù)期短路電流峰值max的變化。當(dāng)max不變時(shí)，燃弧電流峰值隨的增大而減??；當(dāng)不變時(shí)，燃弧電流峰值隨max的增大而增大。

圖6為電流轉(zhuǎn)移時(shí)間分別隨時(shí)間常數(shù)和預(yù)期短路電流峰值max的變化。當(dāng)max不變時(shí)，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間隨的增大而減??；當(dāng)不變時(shí)，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間隨max的增大而增大。

隨著機(jī)械開(kāi)關(guān)燃弧電流峰值增加和電流轉(zhuǎn)移時(shí)間增加，機(jī)械開(kāi)關(guān)燃弧能量也增加。由于強(qiáng)迫關(guān)斷支路的導(dǎo)通時(shí)間是固定的，燃弧能量的過(guò)大會(huì)導(dǎo)致機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)斷失敗。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)時(shí)間常數(shù)為1 ms時(shí)，預(yù)期電流峰值大于等于50 kA時(shí)，在2、2、1、2回路導(dǎo)通前，機(jī)械開(kāi)關(guān)沒(méi)有成功開(kāi)斷，因此斷路器就會(huì)關(guān)斷失??；當(dāng)預(yù)期短路電流峰值110 kA，時(shí)間常數(shù)3 ms時(shí)，機(jī)械開(kāi)關(guān)也不能成功開(kāi)斷，斷路器也會(huì)關(guān)斷失敗。

圖6 不同max和時(shí)電流轉(zhuǎn)移時(shí)間

圖7 不同Imax和τ時(shí)晶閘管關(guān)斷電流

圖7為晶閘管關(guān)斷電流分別隨時(shí)間常數(shù)和預(yù)期短路電流峰值max的變化。在斷路器關(guān)斷成功的條件下，當(dāng)max不變時(shí)，晶閘管關(guān)斷電流隨的增大而減小；當(dāng)不變時(shí)，晶閘管關(guān)斷電流隨max的增大而增大。

晶閘管關(guān)斷電流過(guò)大，可能會(huì)超出晶閘管正常工作范圍，導(dǎo)致晶閘管不能正常關(guān)斷，從而造成斷路器關(guān)斷失敗。

圖8為截?cái)嚯娏鞣謩e隨時(shí)間常數(shù)和預(yù)期短路電流峰值max的變化。當(dāng)斷路器成功關(guān)斷時(shí)，截?cái)嚯娏魇嵌搪冯娏鞯淖畲笾?。在斷路器關(guān)斷成功的條件下，當(dāng)max不變時(shí)，截?cái)嚯娏麟S的增大而減小；當(dāng)不變時(shí)，截?cái)嚯娏麟Smax的增大而增大。

圖9為分?jǐn)鄷r(shí)間分別隨時(shí)間常數(shù)和預(yù)期短路電流峰值max的變化。分?jǐn)鄷r(shí)間越短，則斷路器和系統(tǒng)承受短路電流的時(shí)間就越短。在斷路器關(guān)斷成功的條件下，當(dāng)max不變時(shí)，分?jǐn)鄷r(shí)間隨的增大而增大；當(dāng)不變時(shí)，分?jǐn)鄷r(shí)間隨max的增大而減小。

圖8 不同max和時(shí)截?cái)嚯娏?/p>

圖9 不同Imax和τ時(shí)分段時(shí)間

圖10為壓敏電阻支路電流的波形圖，由圖示試驗(yàn)結(jié)果可以看出，max越大，壓敏電阻開(kāi)通越早，對(duì)短路電流的能量消耗越快，但通過(guò)的電流值越大；越小，壓敏電阻開(kāi)通越早，對(duì)短路電流的能量消耗越快，但通過(guò)的電流峰值越大。

圖11是壓敏電阻消耗的能量分別隨時(shí)間常數(shù)和預(yù)期短路電流峰值max的變化曲線。在斷路器關(guān)斷成功的條件下，當(dāng)max不變時(shí)，壓敏電阻消耗的能量隨的增大而增大；圖11中紅色圓圈圈出同一時(shí)間常數(shù)下，壓敏電阻耗能最小的位置，可以看出，當(dāng)不變時(shí)，壓敏電阻消耗的能量基本隨max呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，隨著的增大，這個(gè)最小點(diǎn)會(huì)在max越大時(shí)出現(xiàn)。

圖10 壓敏電阻支路電流變化波形

圖11 不同max和時(shí)壓敏電阻耗能

4 結(jié)論

對(duì)于傳統(tǒng)的直流斷路器，其分?jǐn)噙^(guò)程是在短路電流達(dá)到峰值之后進(jìn)行的。因此，對(duì)于同一型號(hào)斷路器，不論電路時(shí)間常數(shù)是多少，該斷路器都能開(kāi)斷比額定短路電流小的短路電流。

而混合式直流斷路器的開(kāi)斷是在短路電流上升階段就開(kāi)始進(jìn)行的，因此斷路器的分?jǐn)嗄芰κ芏搪冯娏鞣逯岛投搪冯娏魃仙蚀笮〉挠绊?。短路電流越大或短路電流時(shí)間常數(shù)越小，則S燃弧電流峰值、晶閘管關(guān)斷電流和截?cái)嚯娏髟酱?，斷路器關(guān)斷環(huán)境越苛刻，越容易關(guān)斷失敗。但若能關(guān)斷成功，其分?jǐn)鄷r(shí)間也會(huì)越短，能使系統(tǒng)更迅速脫離故障。對(duì)于同一型號(hào)混合式直流斷路器，它能分?jǐn)啾绕漕~定短路電流小和時(shí)間常數(shù)大的短路電流。

[1] Ding C, Tang D, Tian X. Contact design of arc extinguishing chamber in virtual platform of mechanical DC circuit breaker[C]// 2020 5th Asia Conference on Power and Electrical Engineering (ACPEE). 2020.

[2] 孔祥斌, 矯財(cái)東, 趙亮, 等. 直流斷路器在不同時(shí)間常數(shù)下臨界負(fù)載電流的測(cè)試及分析[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2018, 559(22): 86-90.

[3] 王興利, 趙科達(dá), 胡浪濤, 等. 低壓直流斷路器時(shí)間常數(shù)探討[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(10): 88-91.

Analysis of influence of short circuit current on shutdown of hybrid circuit breaker

Ru Mengge, Peng Zhendong

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

A

1003-4862（2022）06-0045-04

2021-09-01

茹夢(mèng)歌(1996-)，女，碩士。研究方向：艦船電力電子應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail: 1181144685@qq.com