基于人工过零的高速真空直流开断的实验研究

王旋

摘 要：目前，直流系统的应用领域越来越广泛，对保护和控制的要求越来越高，如何快速监测和开断直流系统故障电流在直流系统的发展中显得极其重要。本论文设计了基于人工过零的高速真空直流开断主电路，对开断过程中的电压、电流特性进行了研究，对于掌握开断过程中电流转移过程、过电压抑制方案提供了依据。

关键词：人工过零;真空;直流开断

1 概述

直流电力系统由于其优良的特性已广泛应用于电气化铁路、高压直流输电以及地铁、轻轨等牵引系统中，但直流电流的开断难度大，尤其是本论文研究的牵引直流系统，其发生故障时，短路电流峰值大、上升速度比常规的牵引系统高。针对此问题，本论文提出了基于人工过零的高速真空直流开断方案。本文就如何实现上述方案及本方案中的一些影响因素展开研究。

2 牵引直流系统开断过程仿真（无过电压抑制措施）

2.1 仿真电路模型的建立

图2-1  直流系统开断等效电路图

仿真电路中，短路电流在1ms时到来;主断路器CB在短路电流到来后1ms开始打开;仿真中用断路器来模拟真空触发间隙TVG，TVG在3ms时导通将反向电流投入，3.5ms时打开。

2.2 仿真结果分析

图2-2  牵引直流系统开断仿真波形

1ms时短路，主回路电流和主断路器支路电流随之增大，2ms时主断路器打开，由于没有自然过零点，此时电路开不断。3ms时换流回路TVG闭合投入反向电流，迫使主断路器电流在3.025ms强制过零。此时主断路器断开，电流由主断路器回路转移至换流回路。主断路器电流过零断开后，换流回路与主电路组成振荡回路，在振荡电流过零前将TVG断开，振荡电流在3.525ms过零时，换流回路断开，开断电流过程随之结束。

当电流由主断口支路转移到换流回路中时，换流电容开始对回路放电，换流电容电压降低。当主断路器电流过零断开后，电流完全转移至换流回路。此时，电路中的直流电源开始对换流电容进行反向充电，并在换流回路电流过零断开前，始终和主回路一起振荡。

主断路器断口两端电压波形中出现两次振荡：第一次是在主断路器中电流过零后开始，小电容串入系统，并有一系列的充放电过程，其两端电压出现快速振荡;第二次振荡发生在触发间隙断开时，此时，主断路器两端的电容与直流电源、短路电阻、短路电感及短路点组成振荡电路，使主断路器断口电压在经过剧烈振荡后最终稳定在系统电压。

将反向电流投入时间延迟到短路电流到来后3ms（即在4ms时投入反向电流），TVG在4.5ms断开。当延迟反向电流投入时间时，系统中的振荡电流值、过电压明显升高，主要是因为随着开断过程的推迟会有更多的能量流入系统，这些能量要在开断过程中释放掉，势必会在系统中引起更大的振荡电流和更高的过电压。这严重的增大了短路开断的难度。

在其他条件不变时，改变充电电容的初始电压U0。当U0减小时，ic随之减小;当ic减小到小于主断口支路电流时，电路将不能开断。在电路能成功开断的情况下，增大U0对开断过程帮助不大，甚至会对故障开断造成负面影响：使主断口两端过电压升高。

改变换流电感可以改变换流回路的电流振荡频率和电流振荡峰值。换流电感增大，换流回路的电流振荡频率下降，换流回路的振荡电流峰值减小，当换流电感一直增大，换流回路电流峰值将下降到小于主断口支路电流，电路将不能开断。换流电感减小，换流回路的电流振荡频率上升，主断口支路和换流回路之间的电流转移过程加快，换流回路的振荡电流峰值增大，但当电路能成功开断时，减小换流电感对电路开断没有帮助，反而会使充电电容两端电压、主断口两端电压升高，这对开断不利。开断过程中，系统中出现一个上升速率很快，且峰值高达33.8kV的过电压，极可能击穿主断路器断口，发生电弧重燃，产生重击穿过电压，容易对设备绝缘造成危害，并且会使故障开断时间延长，很有可能造成故障范围的扩大，降低了系统的可靠性。所以须采取相应的措施，抑制过电压。

3 牵引直流系统开断中过电压抑制

真空断路器的开断操作过电压的抑制措施中，主要有以下两种方法：接入阻容过电压吸收器;接入避雷器。在本论文中，过电压抑制措施采用氧化锌避雷器。

3.1 仿真电路模型

在2.1.仿真电路模型Switch前接入避雷器。

3.2 仿真结果及对仿真结果的分析

避雷器在达到动作电压时动作，将电流迅速吸收至其支路，换流回路的电流迅速下降，真空触发间隙电流过零断开。随着能量的消耗，主断路器断口电压逐渐下降，下降至避雷器的动作电压之后，避雷器截止，主断路器断口两端电压快速小幅振荡，最终稳定在5kV系统电压，完成开断。在开断过程中，由于避雷器的存在，吸收了开断过程中的能量，从而抑制了过电压，同时保护了换流电容等器件的安全，防止了电弧重燃，成功实现了开断。

4 基于人工过零的高速真空直流开断的实验

本论文利用高压合成回路中的电流源提供的交流振荡电流来模拟直流短路上升电流。

4.1 试验线路设计

图4-1  采用高压合成回路进行的开断过程研究的实验电路

在图4-1中，用Ce、Le产生的振荡电流来模拟直流短路上升电流;Rs、Ls为短路电路参数;CB为主断路器，用来开断模拟的直流短路电流;真空触发间隙TVG用来投入和断开反向电流;换流电抗Lc和换流电容Cc用来产生高频反向电流。

在进行实验之前，先要利用充电电路对Ce和Cc进行充电，使其达到预定值。当充电过程结束后，将各个充电回路控制开关打开，闭合CB，准备开始直流开断实验。闭合Switch，电路中出现模拟的直流短路上升电流，在电流达到一定值时，令主断路器打开，并经过延时后通过实验控制系统发出控制信号，触发TVG闭合，投入高频反向电流。在一段时间后，TVG动作结束，并在其电流过零后断开。

4.2 实验结果与仿真结果的对比分析

无过电压抑制措施下，进行实验。设置主回路充电电压为223V，换流回路充电电压为419V，换流回路频率为3.125kHz，反向电流投入时刻3.37ms时进行实验;设置主回路充电电压为284V，换流回路充电电压为470V，换流回路频率为3.125kHz，反向电流投入时刻3.37ms时进行实验。实验测得主断口两端电压峰值为2000V时，仿真结果为1825V;实验测得主断口两端电压峰值为2500V时，仿真结果为2660V。将实验测得的电压电流波形与仿真结果相对比，实验结果与仿真结果大致相符，从而验证了仿真所用模型的正确性。

5 结论

本文提出了采用氧化锌避雷器抑制系统过电压的方案，对开断过程中的电压、电流特性、电流转移和过电压的抑制进行了研究，得到以下结论：

①投入反向电流时机对总回路电流峰值、换流电容两端电压、开断时间有直接影响;

②换流电容的充电电压越高，主断路器中电流过零断开所需时间就越小，主断口电压峰值和换流电容两端电压增大;

③换流回路反向电流频率越高，主断路器完全断开所需的时间越短，电流变化速率越大，系统中主断口电压峰值和换流电容电压峰值越大;

④避雷器能夠有效地转移系统中的电流，泄放开断过程中的能量，从而有效的降低过电压。