一种改进型真空直流限流断路器研究

龙 润，刘 擘

（海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430064）

一种改进型真空直流限流断路器研究

龙 润，刘 擘

（海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430064）

分析了强迫关断型真空直流断路器的工作原理，采用在真空灭弧室两端反并续流二极管的方法，推迟了真空灭弧室电流过零后两端反向电压出现的时间，提高了真空灭弧室电流的过零关断的可靠性。对该直流限流断路器系统进行理论分析仿真，最后进行实验，实验结果与理论分析一致，说明该限流断路器方案准确、可行。

真空直流断路器 仿真

0 引言

随着国民经济的发展，城市用电负荷的增加，对电力系统的容量需求越来越高。在美国、日本、德国等发达国家已越来越多地采用直流输电。为了限制直流短路电流，保护用电设备的安全，亟需研制限流能力强、可靠高的直流断路器[1]。

基于功率半导体的直流断路器动作速度快、限流效果好且不产生电弧，理论上可无限次重复使用。但是功率半导体的导通压降高、热损耗大，且价格昂贵，难以在大容量系统中广泛应用[2]。

采用电流转移原理使交流真空灭弧室中的电流强迫过零关断是另外一种关断直流电流的有效方法，该方法近年来在国际上得到了大量关注，俄罗斯、以色列、日本、中国[3-6]均有相关的研究报道。文献[7]设计了额定1500 V/4000 A的直流限流断路器，可开断预期电流峰值50 kA，上升率3 A/μs的短路电流。其触头操动机构采用永磁机构，用一根操纵杆按照不同的杠杆比，对两台真空灭弧室进行驱动，在主回路灭弧室开断的同时实现反向电流回路灭弧室的闭合。该方案同样存在分闸时间过长（3.6 ms）的问题。

1 强迫关断型真空直流限流断路器工作原理

强迫关断型真空直流限流断路器一般由三个并联的支路组成，包括真空灭弧室及其高速驱动机构支路、强迫关断支路、能量吸收支路，如图1虚线方框内所示。正常工作时电流从真空灭弧室支路流过。由于真空灭弧室触头接触电阻比较小，可以长时间通过较大额定电流而不产生过大的热损耗。当需要分断时或线路中出现故障时，控制器检测出故障后给真空灭弧室触头高速驱动机构发出动作信号，如图2所示的(a)点。经过一定的机械延时后真空灭弧室触头在(b)点打开并产生电弧。此时电流继续从真空灭弧室上流过，(c)点时晶闸管TH2导通，预先充好电的电容C1通过晶闸管和电感L1向真空灭弧室放电形成与主回路电流方向相反的脉冲电流。当反向脉冲电流幅值大于短路电流时，真空灭弧室中的电流减小到零，即图中(d)点。由于真空灭弧室在电流过零点具有极强的熄弧能力，电流一旦过零电弧便很快熄灭，电路中剩余的能量由压敏电阻MOV支路吸收。

图1 真空直流断路器工作原理

图2 真空直流断路器关断过程

强迫关断型真空直流断路器能否成功关断直流电流的关键在于真空灭弧室过零熄弧的可靠性，采用图1所示原理的断路器，在灭弧室电流过零瞬间，电容C1的剩余电压会直接加于灭弧室两端，即图2所示的V1，特别是当关断电流较小时该电压会接近C1的充电电压，灭弧室在该反向电压的作用下容易反向击穿而使电流关断失败。为了解决该问题本文在真空灭弧室两端并联了反向的续流二极管，如图3所示。当真空灭弧室中的电流在反向电流作用下强迫过零时，由于反并续流二极管D1导通，真空灭弧室获得了一段零电压的绝缘恢复时间，直到反向关断回路电流小于主回路电流时D1截止。

2 改进型断路器原理分析及仿真

图3所示为改进型真空直流断路器原理图，D1为灭弧室两端反并二极管， D2为关断电感的续流二极管，R3、C3和D3构成的RCD缓冲电路用于抑制晶闸管TH截止时两端出现的过电压。

图3 改进型真空直流限流断路器结构

假设正常工作时主回路电流为I0，在t0时刻发生短路故障且电流以上升率di/dt=k的速度增大，经过一段时间的检测判断后给高速触头机构发出动作信号，真空灭弧定动静触头经一定的机械延时后分离，设该时刻为t1，同时反向电流在t1时刻发出，则有

依据实际线路参数，运用EMTP仿真软件对图3所示结构的限流断路器进行仿真，用脉冲电容放电来模拟短路故障，仿真参数如表1所示。

当主回路电流大于800 A时断路器认为系统发生短路故障，控制器对高速触头机构发出动作信号，真空灭弧室动静触头分离，同时反向强迫关断回路发出反向关断脉冲电流，当脉冲电流大于主回路电流时反并二极管导通，如图4曲线4所示，当反向关断脉冲电流衰减至小于主回路电流时反并二极管截止，之后主回路向关断电容反向充电，当电容C1电压大于电源电压时，主回路电流开始下降，当触头两端电压上升至压敏电阻的动作值时，压敏电阻导通吸收储存于线路电感中的能量。仿真结果表明，在故障电流上升率3 A/μs时，断路器能将主回路电流峰值限制为1450 A，断路器两端过电压峰值约1500 V，灭弧室的零电压恢复时间约80 μs。

表1 改进行限流断路器仿真参数

图4 真空直流断路器仿真结果

3 短路分断试验

在实验室完成了短路分断实验，利用脉冲电容放电来代替直流短路上升电流，实验原理图如图5所示，其中C0为主回路电容，TH为主回路导通晶闸管，TH两端反并了二极管D0，R0、L0分别为主回路电阻和电感，具体试验电路参数与表1所列参数一致。试验结果如图6所示。

图5 短路分段实验原理图

由试验结果可以看出，采用电流转移原理可以迫使真空灭弧室电流过零，进而成功地开断短路电流。在灭弧室两端反并的续流二极管可使灭弧室在电流截止后获得一段零电压恢复时间，保证灭弧室关断的可靠性，续流二极管截止后，关断电容被反向充电，当反向充电电压超过压敏电阻动作的域值后，压敏电阻起作用，关断电容电压不再上升，关断电流与主回路电流不再重叠。实验结果与仿真基本一致。

图6 限流分断试验波形

4 结论

本文研究了基于真空灭弧室强迫关断原理的直流限流断路器，它利用真空灭弧室绝缘恢复能力强的特点，采用电流转移原理实现真空灭弧室直流电弧的强迫过零关断。对此限流断路器系统进行仿真，最后进行实验，实验结果与理论分析一致，说明该限流断路器方案准确、可行。

[1] 庄劲武, 张晓锋, 杨 锋, 等.船舶直流电网短路限流装置的设计与分析[J].中国电机工程学报.2005, 25(20) : 26-30.

[2] Polman H, Ferreira J A, Kaanders M, et al.Design of a bi-directional 600V/6kA ZVS hybrid DC switch using IGBTs[J].IEEE Trans. on Power Delivery, 2001, 16(2): 1052-1059.

[3] D.F. Alferov, V.P. Ivanov, V.A. Sidorov, "High-current vacuum switching devices for power energy storages", IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 35, pp.323-327, Jan. 1999.

[4] A Hybrid Repetitive Opening Switch For Inductive Storage Systems And Protection Of DC Circuits

[5] Implementation Aspects of DC Hybrid Opening Switch

[6] Odaka, H., M. Yamada, et al. (2007). "DC interruption characteristic of vacuum circuit breaker." Electrical Engineering in Japan 161(1): 17-25.

[7] 董恩源, 丛吉远, 邹积岩, 等.1500 V船用新型直流断路器的研究[J].中国电机工程学报, 2004, 24（5）: 153-156.

Research on a Modified DC Vacuum Current Limiting Circuit Breaker

Long Run, Liu Bo
(Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China )

The working principle of forced on-off DC vacuum switch is analyzed. By using the vacuum arcing chamber at both ends and fly-wheel diode, reverse voltage on both ends is delayed after the current of the vacuum arcing chamber is zero, and the reliability that arcing chamber at zero current is required to be shut off is improved. By theoretical analysis and simulation of the DC current limiting circuit breaker system, the experimental results are consistent with theoretical analysis, and show that the current limiting circuit breaker is accurate and feasible.

DC vacuum switch; simulation

TM46

A

1003-4862（2015）06-0075-03

2015-04-12

龙润（1987-），男，助理工程师。研究方向：电气工程。