一种混合式直流断路器设计方法

骆文平，朱兆芳，任志刚



一种混合式直流断路器设计方法

骆文平，朱兆芳，任志刚

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对一种典型的混合式直流断路器，本文提出了优先进行“零电流换流过程设计”，随后进行“零电压换流过程设计”的设计方法。以8 kV/4kA的混合式直流断路器为例，针对预期短路电流160 kA且短路时间常数为7 ms的工况，基于该方法成功实现了短路分断时间不超过1.8 ms且分断峰值电流不超过40 kA的设计指标。该方法对混合式直流断路器的设计具有一定的指导意义。

混合式直流断路器 零电压换流 零电流换流

0 引言

随着直流电力系统的蓬勃发展，直流断路器作为直流电力系统的关键保护设备，也逐渐成为了电器领域研究的热点[1-3]。无论舰船动力领域、轨道交通领域，还是高压直流输电领域、直流配电网或直流微电网的配电网领域，直流断路器的研制无不具备重要意义。空气式直流断路器尽管技术成熟，但分断时间长、电寿命低，难于满足中高压、大容量直流系统的快速限流保护需求。混合式断路器利用反向电流注入迫使电流人工过零，短路分断速度快，成为中高压直流断路器研制的重要方向。为此，国内外学者提出了不同的拓扑，诸如典型的ACICB结构，以及基于桥式转移电路的双向分断设计等。然而，阐述各种混合型断路器设计方法的报道并不多见，基于此，本文针对一种典型的混合式断路器进行设计，旨在提供一种设计方法。

1 直流断路器拓扑及工作原理

图1所示为一种典型的混合式直流断路器拓扑结构图，所述断路器主要包含真空机械开关S、零电压换流晶闸管T1、压敏电阻MOV以及由扼流电感L、反向脉冲电容C、大功率脉冲晶闸T2管构成的零电流换流支路。

图2所示为该直流断路器典型的分断过程。当系统正常时，真空开关S闭合形成电流通路。当系统产生故障时，真空开关S分断，在真空开关弧压作用下，主回路电流由真空开关S向晶闸管T1转移，该过程晶闸管的管压降由真空电弧弧压决定，一般为几十伏左右，因此该段过程也称为“零电压换流过程”。之后一段时间，真空开关在近乎零电压条件下实现弧后介质恢复。当真空开关充分零休后，反向脉冲电容C通过晶闸管T2放电，迫使主回路电流由晶闸管T1支路向电容C支路转移，实现所谓的“零电流换流过程”。在这一阶段，LC支路工作于振荡状态，电容C经历了反向放电再充电的过程，当电容充电电压达到压敏电阻的开通电压后，压敏电阻开通，主回路电流迅速由电容支路转移到压敏电阻支路，由压敏电阻吸收掉系统残余感性能量，实现故障电路的分断，同时也限制了系统的过电压。显然，电容C需要预充电，为了不增加额外的电源设备，电容C可以直接由系统电压供电，即充电电压为系统电压8 kV。

图1 直流断路器拓扑

2 基本设计方法

该混合式直流断路器主要包括零电压换流与零电流换流两个主要过程。零电压换流过程实现的是主回路电流由真空开关向晶闸管T1转移的过程，其换流时间的长短是决定该混合式断路器分断时间的关键因素之一。然而这一过程受真空开关支路杂散电感、真空开关弧压、换流晶闸管T1支路电感、晶闸管开通电压及斜率电阻等众多不确定因素的影响，使设计较为困难。零电流换流过程尽管发生于零电压换流过程之后，但这一过程的持续时间通常主要受反向脉冲电容C与扼流电感L的影响，电气参数相对更容易确定。基于这一考虑，通常率先设计零电流换流回路，所重点关心的指标主要是分断峰值电流及其相应的分断动作时间；之后，进行零电压换流回路设计，重点考核的则是该换流过程的持续时间，显然该换流过程应在零电流换流过程之前结束。

3 零电流换流过程设计

电力系统发生故障后，短路电流通常可以表达如下：

本文针对系统额定电流为4kA，短路预期电流为160kA，时间常数为7ms的工况进行零电流换流过程设计，并要求系统实际分断的峰值电流不超过40kA，峰值电流对应时间不超过1.8ms.显然，换流回路反向脉冲电容参数应由系统电压与实际分断电流共同决定，其所储存的能量应能可靠实现晶闸管T1支路电流的转移并能提供足够时间的反压促使晶闸管T1可靠关断，该工况下取电容的容值为250 µF，充电电压为8 kV，扼流电感取为8 µH。

虽然系统电流达到40 kA所用时间要稍高于1.8 ms，但考虑到反向脉冲回路的自然振荡，在1.2 ms到1.75 ms之间调节晶闸管T2的触发时刻，系统短路峰值电流及分断动作时间与触发时刻的关系如图3所示。随着晶闸管T2触发时刻的推迟，系统短路分断峰值电流持续上升，断路器分断动作时间也逐渐增加，为使得短路分断峰值电流不超过40 kA且断路器分断动作时间不超过1.8 ms，晶闸管T2的触发时刻不应超过1680 µs，考虑一定的安全裕量，晶闸管T2触发时刻实际上不超过1.6 ms.

图3 断路器分断动作时间、峰值电流与晶闸管触发时刻的关系

4 零电压换流过程设计

零电压换流过程应该在零电流换流过程前结束，而零电压换流过程受包括真空开关弧压、脉冲大功率晶闸管伏安特性以及两个元件所在支路各自的电感等多重因素的共同影响，既与器件自身特性有关，又与断路器结构设计密切相关。

图4所示为真空开关弧压为恒定值20 V时，零电压换流过程持续时间与晶闸管T1支路电感及真空开关支路电感LS之间的关系。显然，随着晶闸管T1支路电感或真空开关支路电感的增加，零电压换流过程持续的时间均会增加，直至该换流过程进入转移失败区而无法实现电流由真空开关完全转移至晶闸管T1支路，导致系统短路分断失败。此外，就成功实现电流转移而言，晶闸管T1支路电感值越大，真空开关支路所允许的电感值将会越小。就本文而言，要求零电压换流过程结束时间不超过1.6 ms，在该种情况下，真空开关支路电感与晶闸管T1支路电感表现出较大的交叉范围。

图4 零电压换流时间与各支路电感关系（弧压20 V）

图5所示为真空开关弧压为恒定值30V时，零电压换流过程持续时间与晶闸管T1支路电感及真空开关支路电感LS之间的关系。相对图4而言，弧压的增加显著提高了电流由真空开关支路向晶闸管T1支路转移的能力。在图示真空开关支路电感不超过0.5 µH，晶闸管T1支路电感不超过0.4 µH的区域，不存在电流转移失败区。就零电压换流过程结束时间不超过1.6 ms的要求而言，晶闸管T1支路电感与真空开关支路电感Ls的交叉影响区域也显著减小，两支路电感可供选择的取值范围明显扩大。

图5 零电压换流时间与各支路电感关系（弧压30 V）

5 结论

本文针对一种典型的基于“零电压换流”与“零电流换流”相结合混合式直流断路器，提出了优先进行“零电流换流过程设计”，然后再进行“零电压换流过程设计”的设计方法。基于此方法，成功实现了分断动作时间不超过1.8 ms，分断峰值电流不超过40 kA的某型8 kV/4 kA混合式直流断路器的设计。这说明，本文提出的设计方法是行之有效的。

[1] 荣命哲, 杨飞, 吴翊, 等. 综述：直流断路器电弧研究的新进展[J]. 电工技术学报，2012，27(3)：35-43.

[2] 马钊. 直流断路器的研究现状及展望[J].智能电网，2013, 1(1)：13-16.

[3] Shen Z, Miao Z, Roshandeh A. Solid State circuit breakers for DC micrgrids：current status and future trends[C]. Proceedings of the First International Conference on DC Microgrids. Atlanta, USA: IEEE, 2015: 228-233.

Design Method of Mixed DC Circuit Breaker

Luo Wenping, Zhu Zhaofang, Ren Zhigang

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

TM561

A

1003-4862（2018）07-0006-03

2018-03-15

骆文平(1989-)，男，硕士。研究方向：混合式直流断路器设计、分析。