单相限流式固态断路器的研究

何棒棒++胡冰清++杨建国++林尤吉+陈云龙

摘 要：文章针对低压交流场合，提出了一种基于功率MOSFET的单相限流式固态断路器和相应的过电压抑制电路，分析了过电压抑制电路的工作原理，给出了过电压抑制电路的参数选择的理论依据。

关键词：固态断路器；MOSFET；过电压

引言

断路器用于隔离系统中发生过载或故障等异常行为，从而保护设备和系统免受巨大损失[1]。传统的机械式断路器具有导通稳定、带载能力强等优点，但它也具有不能实时、灵活、连续和快速的动作，断开负载时会在触头处产生电弧，触头易烧损，易抖动等缺点[2，3]，在消防电气、智能电网或安全要求更高的场合，越来越难以满足电力系统速动性的要求。近年来，由于固态断路器关断时间短、通断无电弧、可控性好等优点[4]，可以很好地解决机械式断路器所暴露的缺点，满足特定场合对速度性的需求[5-7]。

固态断路器最初采用可控硅等半控型器件，相比传统的机械式断路器在开关速度上有了极大的提升，其最长关断时间可达10ms，依然不能有效限制短路电流增长。随着电力电子器件的不断发展，采用全控型的固态断路器具有更快关断速度，更小的导通损耗，已逐渐成为研究热点并已应用于很多系统中[4，7]。

针对以上特点，文章设计了一种用于低压交流场合的固态断路器。该固态断路器选用了MOSFET作为开关器件，采用MOS管反向串联结构，可大大降低通态损耗，同时具有更快的关断速度，从而限制短路电流的最大峰值[8]。

1 电路拓扑及工作原理

图1为所讨论的单相限流式固态断路器的等效电路图。图中方框内为以反向串联的MOSFET为主要元件的开关模块，由于MOSFET的双向导电特点，可方便实现交流双向控制。R为负载和线路等效电阻的和，L为线路等效电感，右半部分为过电压抑制电路，由双向触发二极管（DIAC）、RC缓冲电路、续流电阻R1组成。

当固态断路器正常工作时，DIAC处于关断状态。当有短路故障时，开关模块两端的电压uds迅速升高，当其高于DIAC的开通电压时，DIAC导通，RC缓冲电路将起到过电压抑制作用。当线路能量逐渐释放，短路电流减小，uds也随之降低，达到DIAC的关断条件，DIAC关断。R0的作用是过电压保护电路作用后，为电容C提供放电回路，一般设计R0阻值远大于电容容抗，故关断过程中可将其忽略。当DIAC导通后，图1的虚线框中部分可等效为电容C和电阻Re的串联，如图2所示。

下面对过电压抑制电路的工作过程进行分析：

当等效电路中，可以认为，在短路故障保护时间内电网电压变化很小，在此期间电网电压可近似为直流电压源。其中，电网电压Umsin？兹，uC（t）为电容电压，iL（t）为电感电流，由电路原理知识，可得：

从上述计算结果来看，当工作在临界阻尼或过阻尼状态时，电流iL（t）为衰减状态，iL（t）不会超过限流值；当过电压抑制电路工作在欠阻尼状态时，iL（t）表现为振荡输出，振荡过程中iL（t）会大于限流初始值I0。当过电压抑制电路工作在临界阻尼状态时，可使固态断路器具有更短的故障保护时间。综上，当L、R一定时，Re、C按照临界阻尼状态选择参数时，可使线路中电流不超过I0，且具有更短的保护时间。

2 控制原理

固态断路器的关断控制采用DDL保护控制方法，DDL保护是通过电流瞬时值和电流变化趋势来实现电流保护功能。装置正常运行过程中，其保护单元不断地检测线路中电流i及其上升率■，经过DDL保护算法处理后，驱动动作执行单元动作，在DDL算法中主要有电流基准值i0，电流上升率起判点E，退出值F，延时时间T，电流增量最大值△imax等参数需要设置[9]。具体程序流程图如图3所示。

3 结束语

文章分析了基于MOSFET的单相限流式固态断路器的工作原理，提出了一种应用于基于MOSFET的限流式固态断路器的过电压抑制电路，并给出了电路参数选择的理论依据及计算公式。文章对研发应用在低压交流场合的限流式固态断路器将起到较好的理论指导作用。

参考文献

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[2]李岱，李晓霞.灵活交流输电和电力电子学[J].电力电子技术，1998，38（3）：102-105.

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[4]张明锐，金鑫.一种抑制固态断路器过电压的新方法[J].电力自动化设备，2012，32（3）：37-41.

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[7]胡杰，王莉，穆建国.直流固态断路器现状及应用前景[J].电力系统保护与控制，2009，37（19）：145-150.

[8]徐德鸿.现代电力电子器件原理与应用技术[M].机械工业出版社，2008.

[9]李福生.DDL保护算法在交流电力系统中的应用研究[J]，通讯电源技术，2016，33（4）：23.

作者简介：何棒棒（1994-），男，河南省焦作市人，工作单位：中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，职务：学生，研究方向：电力电子与电力传动。