基于PSCAD／EMTDC的10 k V混合式固态断路器的仿真研究

渠博岗，易映萍

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093）

0 引 言

目前的输配电领域中，机械式断路器的应用依旧非常广泛。而机械式开关在通断过程中，往往会有涌流和电弧，容易对开关的触点造成烧蚀。在发生短路等事故时，动、静触头分离产生的电弧也影响了常规开关的动作时间和动作速度，很容易因短路故障造成电网电压的中断和跌落，使得事故扩大。随着可控硅的不断发展，固态断路器应运而生，固态断路器的原理是通过检测电压过零与电流过零来实现导通与关断。因此完全避免了开通涌流和关断电弧的产生，且通断时间的数量级一般在毫秒至微秒级，因此能满足故障保护对开关速动性能的要求。然而由于可控硅在导通时存在压降，导致在大电流通过可控硅时损耗增加与负载能力的下降，为避免热击穿需要强迫散热，且可控硅对电压变化率较为敏感。

基于此，本文提出了一种混合式固态断路器，即将电子开关与机械式断路器并联，既可以发挥机械断路器运行功耗小的优点，免去了笨重的冷却装置，又可以实现可控硅开关过零快速投切的功能，把二者结合起来的关键是机械断路器与电子开关开断时序的配合。机械式断路器在开通和关断时刻配合电子开关实现开通关断无涌流、无电弧。当机械断路器接通后电子开关就立即关断，机械断路器负责接通负载后的长时间运行［1］。

1 10 kV混合式固态开关主电路拓扑结构及工作原理

1.1 10 k V混合式固态开关主电路拓扑结构

10 k V混合式固态断路器拓扑结构如图1所示，由机械式开关和电子开关并联。机械开关PS作为正常工作时的电流通道，由6组反并联晶闸管组成的电子开关部分只负责机械式断路器通断切换时的动态换流。在需要对负载供电时，机械式断路器合闸信号与电子开关导通信号同时发出，由于机械式断路器有导通延时，故电子开关先导通来建立电流。随后机械式断路器导通，由于机械式断路器阻抗远小于电子开关，所以电子开关被旁路，检测装置检测到机械式断路器导通后封锁电子开关驱动脉冲，合闸过程完成；分闸过程利用自然换流原理。当发生短路等故障需要切除电源时，机械式断路器分闸信号与电子开关关断信号同时发出，由于机械式断路器分闸的延时，电子开关两端电压为零。随后当机械式断路器分闸，主触点两端产生的电弧过电压使电子开关导通，电流转移到电子开关上，检测装置检测到机械式断路器分闸后立即封锁电子开关驱动脉冲，分闸过程完成。

1.2 10 kV混合式固态开关工作原理

混合式固态开关合闸时，电子开关与机械式断路器同时启动，由于电子开关的导通无需延时，而机械式断路器需要约50 ms的启动延时，回路中的电流首先流过电子开关，电流建立过程如图2（a）所示。机械式断路器闭合后，电子开关被旁路，电流从机械式断路器中流过，如图2（b）所示，此时断开电子开关，完成合闸动作。这种先电子开关后机械式断路器的启动方式保证了混合式固态开关在合闸时的快速性。

图3 混合型固态开关的关断过程

2 基于PSCAD／EMTDC的晶闸管串联电路仿真研究

PSCAD／EMTDC是研究电力设备和电力网络暂态行为的工业标准仿真工具，以FORTRAN程序语言为内核计算，由EMTDC电磁暂态模拟程序进行计算，最后由PSCAD完成图形化界面。本文基于PSCAD／EMTDC仿真软件，采用面向对象的建模方法对混合式固态断路器进行了建模与仿真［3］。

2.1 不同类型负载下晶闸管触发方式的仿真

晶闸管采用同步触发信号，触发电路模型如图4所示，该模型下反并联的两只晶闸管触发角度相差180°。在交流电压过零时产生晶闸管触发脉冲，当电源电压波形由负变为正时，正向晶闸管被触发导通、当电源电压波形由正变为负时，反向晶闸管被触发导通，触发脉宽为2 ms。晶闸管触发脉冲与交流电源相位如图5所示。

图2 混合型固态开关的开通过程

混合式固态开关分闸时，电子开关关断信号与机械式断路器分闸信号同时发出，由于机械式断路器分闸存在延时，在机械式断路器动静触头分离的瞬间，其两端的反电势使得电子开关导通，电流从电子开关流过，旁路断路器处于空载分闸状态，如图3（a）所示，这就避免了负载电流过大产生关断电流烧蚀金属触头，如图3（b）所示。机械式断路器关断后，电子开关在下一个电流过零点自然关断，分闸过程完成，如图3（c）所示［2］。

图4 晶闸管触发电路模型

图5 晶闸管触发脉冲与交流电源相位关系

2.2 晶闸管阻容保护回路的仿真

虽然目前已经研制出8 000 A／12 k V的晶闸管，但其造价太高，还未普及。所以为了得到适用于高电压的电力电子设备，仍需要将电力电子器件串联来实现扩容。由于器件特性的分散性，电力电子器件串联会存在静态不均压、动态不均压及因触发或导通不一致而形成电压冲击等问题。

为了确定静态均压电阻Rp的值，假设N个串联晶闸管中第i个晶闸管阻断，其余的全部导通，则第i个晶闸管两端分得的电压最大，为Um。同时，其余的晶闸管均拥有最小的断态电阻Roff（min），即此时流过其余晶闸管的漏电流最大且相同，设为Ib。根据电路原理，可以得到方程：

设：

将式（2）代入式（1），得：

式中，Um为串联晶闸管中需承受最大关断电压值的管端电压，通常取为晶闸管可重复关断电压URRM的一半；ΔU为串联晶闸管中最大管端电压与最小管端电压之间的差值；n为百分比系数，通常取为10，即ΔU＝10%Um，则有：

即静态均压电阻一般取为串联晶闸管最小断态电阻值的二十分之一。

晶闸管的断态电压临界上升率d u／d t标明了晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的临界值，则晶闸管会在无门极信号的情况下开通，而且在实际情况中，串联的晶闸管无法保证同时导通，所以后导通的晶闸管会承受短时间的高压，形成电压冲击。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。

从最极端的情况来考虑，假设N个串联晶闸管中第i个晶闸管的反向恢复电荷值Qrri最小，其余N-1个晶闸管均拥有相同且最大的反向恢复电荷Qrr（max）。则第i个晶闸管与其余N-1个晶闸管反向恢复电荷的差值为ΔQrr＝Qrr（max）－Qrri。显然，在晶闸管阀组关断时，晶闸管i需要额外承担电压为：

则，缓冲电容的容值为：

动态均压电阻的计算，可由如下公式获得：

式中，Lc为换相电感；KRI为比例系数，一般取1.5～

2.5 ；N为每阀中晶闸管数量；C为阻尼电容。

10 kV混合式固态开关晶闸管串联电路主回路的仿真模型如图6，仿真用晶闸管选用优派克（EUPEC）的T1503型晶闸管，查阅其手册，计算得静态均压电阻Rp选取0.625 kΩ。RC选取为R＝8.6～14.4Ω，C＝2.6μF

图6 晶闸管串联电路主回路

图7 分别为晶闸管两端加装RC吸收网络和不加装RC吸收网络的仿真波形，为了使得效果明显，将图1所示串联的晶闸管VT11～VT15与晶闸管VT16导通时间差改为500μs，晶闸管两端波形如图7。由图7（b）可以看出，加装RC吸收网络后，晶闸管两端的过电压得到了控制，冲击电压幅值由1.9 k V降到了1.27 k V，说明选择的RC参数有效地限制了晶闸管两端过电压［4，6］。

图7 晶闸管两端电压波形

3 动作特性仿真与分析

3.1 混合式固态断路器主回路

图8为混合式固态断路器主回路，交流电源选取10 k V／50 Hz，晶闸管驱动脉冲在交流电压过零时发出，脉宽为2 ms，UVT1、UVT2分别表示晶闸管 VT11、VT21两端电压，UBRK表示机械式断路器两端电压，I1、I2、I3分别表示机械式断路器电流、正向晶闸管电流、反向晶闸管电流。仿真条件设置如下：晶闸管触发为理想状态，即正向或反向晶闸管都同时导通，单只晶闸管通态电阻为0.01Ω，断路器合闸后电阻为0.005Ω。

图8 混合式固态断路器自然换流主回路

3.2 合闸过程仿真与分析

合闸电路构成如图9所示。该电路实现相电压Ua的过零检测与比较，并输出方波来作为晶闸管的驱动脉冲。当合闸指令发出后，晶闸管阀组导通指令和机械式断路器合闸指令同时发出，若该时刻相电压Ua未过零，则过零检测电路通过检测相电压Ua的方向来选择输出正向或负向晶闸管阀组驱动脉冲，由于机械式断路器导通有一定的延时，所以该方向晶闸管阀组导通，导通电流建立。随后机械式断路器合闸，晶闸管阀组被旁路且晶闸管驱动脉冲被封锁，合闸过程完成［7］。

图9 合闸电路

如图10所示，U a为相电压波形，G1、G2为晶闸管触发脉冲，BRK为断路器动作信号。当合闸指令发出后，合闸信号Enable变成高电平，此时电源电压Ua处于正半周，故正向晶闸管驱动信号G1输出一个脉宽为2 ms的触发脉冲，正向晶闸管导通，负载两端电压Ud出现且和电源电压Ua相位、大小都相同。且导通电流建立，随后机械式断路器合闸，晶闸管阀组被旁路，合闸过程执行完成。

图10 合闸过程波形

3.3 分闸过程仿真与分析

分闸电路构成如图11所示。利用自然换流原理，当需要切除电源时，机械式断路器分闸指令和晶闸管触发脉冲同时发出。机械式断路器分闸时，主触点两端产生电弧电压，该电压使晶闸管阀组导通，这样负载电流就从机械式断路器转移到了晶闸管阀组，从而实现了分闸无电弧。

图11 分闸电路

如图12所示，Ia为相电压波形，G1、G2为晶闸管触发脉冲，BRK为断路器动作信号。当分闸指令发出后，分闸信号Disenable变成高电平且分闸信号BRK也发出，此时相电流Ia处于负半周，故负向晶闸管驱动信号G2输出一个脉宽为2 ms的触发脉冲，由于机械式断路器分闸后两端存在电弧反电势，所以负向晶闸管导通，电流转移到负向晶闸管，当负向晶闸管电流过零后，分闸过程完成，此过程实现了分闸无电弧。

图12 分闸过程波形

4 结 论

本文利用PSCAD／EMTDC仿真软件，对混合式

固态断路器进行了模型的建立，并通过仿真分析了晶闸管触发方式、晶闸管阻容保护回路以及混合式固态开关的动作特性，为混合式固态断路器的设计提供了仿真研究的基础。

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