基于超导限流器混合式直流断路器开断特性分析

栗静男，金晶，郑峰

(1. 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663；2. 广东电网有限责任公司汕头供电局，广东 汕头 515000；3. 福州大学 电气工程自动化学院，福建 福州 350116)

相较于传统的交流电网，直流电网具有低惯量、低阻抗的特性，其响应时间常数比交流电至少小2个数量级[1-3]，当直流侧发生短路故障时，换流器与直流侧的电容元件将快速放电，导致直流故障电流迅速上升，给电力电子设备带来较大冲击[4]；因此，当直流电网发生故障时需要快速对故障线路进行隔离。

为实现对故障线路的快速隔离，可在直流线路两侧安装直流断路器。当直流故障发生后，通过故障线路两侧直流断路器动作，就可快障清除将故。目前，直流断路器拓扑结构种类繁多，按照断路器中开断器件不同，直流断路器大致可以分为3类[5-7]：机械式直流断路器、全固态式直流断路器以及混合式直流断路器。机械式直流断路器的优点是运行稳定、带载能力强，但其触头容易被开断电弧损害、开断能力有限并且切除故障的时间较长；全固态直流断路器的优点是无触头、投切快速、开关时刻准确、可控可靠性高及寿命长，但是全固态直流断路器容易过压过流、器件的通态损耗高以及造价昂贵；混合式直流断路器集合了机械式断路器和固态断路器的优点，克服了二者的缺点，具有通态损耗小、开断时间短、无开关死区、寿命长、工作可靠性高等优点，是目前直流断路器研发的主要方向。ABB公司在2012年提出了一种混合式直流断路器的拓扑结构，是目前较为经典的一种混合式断路器，即正常运行时，第1支路导通从而降低运行损耗，在故障时，将第1支路的故障电流转移到第2支路，吸收支路耗散能量[8]。文献[9]提出了一种强制换流型混合式高压直流断路器拓扑，所提方案的拓扑结构中引入了1个绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)用来配合隔离开关进行合闸操作，具有双向阻断通态电流、双向切除故障电流的功能。文献[10]提出了一种混合式零电压开关直流断路器，采用基于快速斥力机构的真空开关和IGBT开断并联，整机开断能在2 ms内完成。

现有的混合式直流断路器需要等待超快速机械开关建立最大绝缘能力后，才能分断主断路器支路，一般需要几个毫秒的延时，此时故障电流可能超过断路器中电力电子器件的承受能力[11]；因此，为了降低直流断路器在开断故障电流时承受的应力，在直流断路器动作前需要采取一定的限流措施。已有研究提出在直流线路两端增加平波电抗器及在直流断路器中增加限流电抗，但是过大的限流电抗器数值会影响整个直流系统的动态特性[12-13]。另一种方法是在直流电网中安装限流器，直流故障限流器可以分为2大类[14]：基于电力电子开关的限流器和超导型限流器。基于电力电子开断的限流器也分为全固态限流器和混合式限流器，前者存在通态损耗大、单管容量有限的问题，而后者的研究较少。随着高温超导技术的不断发展，超导限流器开始引起国内外专家学者的重视[15-16]，但其存在失超阻值大小不可调节的缺点。

为了降低混合式直流断路器在开断故障电流时承受的应力，本文提出一种基于电阻型超导和IGBT控制限流电阻的桥型电路的拓扑结构，通过IGBT控制的分级接入电阻弥补故障时超导失超态的阻值大小不可调节的缺点，提高限流器的调节性，同时分析了限流器的工作特性；在此基础上，将桥型超导限流器与一种混合式断路器串联接入电路，分析二者的配合以及桥型超导限流器对混合式直流断路器开断特性的影响；最后利用MATLAB/Simulink搭建桥型超导限流器和混合式直流断路器的模型，仿真验证所提出的超导限流器对混合式直流断路器开断特性的影响。

1 超导限流器拓扑结构

高温超导带材是目前应用于高温超导电力设备的主要材料之一，其电阻率随电流密度的变化而变化。本文提出一种新型桥型超导限流器:在系统正常运行的时候，超导限流器被旁路，此刻超导处于超导态，保证了正常运行时，对配电系统没有影响；出现故障时，由于电流的变化，使超导支路导通，同时由于电流密度的变化导致超导失超，超导电阻率上升。

直流配电系统中，当在不同位置发生极间短路故障时，故障点相对于变流器出口电容的阻抗不同。面对不同的短路故障点，系统的短路电流大小也不同(若在靠近变流器出口电容的位置出现极间短路故障，短路电流较大)，但此时超导本身电阻大小不变，这就使得电路无法根据故障电流的大小来调节限流支路阻抗，导致故障的限制较为被动，灵活性比较低；因此，为了提高限流器的可调性，本文提出在桥型电路的中间支路，串联若干由IGBT控制的电阻，其结构如图1所示。其中, D1、D2、D3、D4为二极管，Udc为直流电源，idc、ib分别为直流电源电流和支路电流。图1中仅画出1个IGBT控制电阻，多级串联均为此种连接方式。直流电源Udc由于只作为二极管正向偏置电压，其数值较小，可通过电源Us流过整流管D5、D6、D7、D8，经电容C和电阻R输出得到。开关则根据系统故障情况及断路器开关状态相配合，检测无故障电流时开关S1闭合S2断开，有故障电流时S2闭合S1断开，在此不再赘述详细工作工程。

图1 桥型超导限流器结构图Fig.1 Structure of bridge typed superconducting current limiter

如图1所示：当系统正常运行时idc>0，在中间支路存在直流电源Udc的正偏电压，故ib>idc，流过D1和D4的电流为(ib+idc)/2>0，而流过D2和D3的电流为(ib-idc)/2>0，因此4个二极管均导通，直流线路上的电流不会流过中间支路，限流装置被旁路；当直流配电网出现短路故障时，线路上的电流增大，导致ib

当直流配电网出现短路故障时，线路上的电流增大，导致ib

超导限流器单独作用可以达到限流的要求时，IGBT均导通，所控制的电阻不会在该支路上起作用。当系统出现极间短路故障的时候，首先通过超导限流器超导失超对故障进行限流；若此时的故障电流仍无法达到预期的要求，则需要由IGBT来控制电阻，并且分级加入，即串入一级电阻后，在时间允许的范围内，检测此时的故障电流大小；若依旧大于预期值，可再通过IGBT加入其余电阻，做到故障电流的多级控制。

此外，本文提出的超导限流器对线路重合闸能起到积极作用：当系统出现瞬时性故障，直流侧电压出现跳变，故障电流增大，进而使断路器保护动作；若装设限流器，则可抑制故障电流，抬升母线电压，使断路器的动作躲开瞬时性短路故障，同时在永久性故障的时候，减小故障电流对断路器的影响，提高断路器重合闸动作概率，延长断路器的使用寿命。断路器重合闸动作时，考虑到超导恢复时间长对二极管导通正向偏置电压的影响，只需增大直流电源Udc输出电压值即可。当系统发生瞬时性故障，重合闸后限流器二极管D1、D3为导通状态，即超导支路被旁路，系统恢复正常运行状态。若为永久性故障，故障线路重新投入系统，由于故障电流的影响，桥型超导限流器又立即投入工作，此时超导电阻能够继续对故障电流进行限流，减小永久性故障下故障电流在断路器重合闸动作时对系统的冲击。

2 混合式直流断路器拓扑结构

混合式直流断路器集中了机械式断路器和固态断路器的优点，并克服了二者的缺点，是目前断路器研发的主要方向。文献[10]提出了混合式直流断路器总体方案，本文基于此方案，研究超导限流器对其开关应力的影响，图2给出了该种混合式直流断路器的拓扑结构。混合式直流断路器由快速斥力真空开关(high speed vacuum circuit breaker, HSVCB)和IGBT与金属氧化锌避雷器(metal oxide varistors, MOV)构成的IGBT开断单元组成。

混合式直流断路器主要由3部分组成：载流支路、转移支路和能量耗散支路。混合式直流断路器分断的时序如图3所示，其中t为时间，u、i分别为电压和电流，T1、T2为时段，其工作原理为：

图2 混合式直流断路器拓扑结构Fig.2 Topology of hybrid DC circuit breaker

图3 混合式故障限流器分断电压电流波形及时序示意图Fig.3 Diagram of breaking voltage and current waveforms and time-sequence of hybrid fault current limiter

在正常工作时，混合式直流断路器处于合闸状态，此时IGBT未导通，电流从HSVCB流过，HSVCB所在支路称为载流支路；t0时刻系统发生故障；t1时刻直流断路器动作，混合式直流断路器进行分闸时，先给IGBT导通信号令IGBT导通，此时由于HSVCB未分闸，HSVCB的接触电阻远小于IGBT的导通电阻，因此故障电流主要由HSVCB流过；t2时刻HSVCB开始分闸，由于电弧的弧阻与IGBT的导通阻抗相当，因此电流开始从HSVCB向IGBT转移；t3时刻故障电流全部转移到转移支路，此称为第1次电流转移；t4到t5时刻故障电流全部转移到转移支路，称为第2次电流转移，其目的是将故障电流降至零，第2次电流转移可以分为2个阶段，分别为IGBT到RCD吸收电路(由电阻R、电容C和二极管D构成)的电流转移和RCD吸收电路电流下降为零的过程，由RCD吸收电路和IGBT组成的支路称为转移支路，同时设置避雷器来吸收第2阶段的故障电流，保证混合式直流断路器工作的稳定，避雷器所在支路称为能量耗散支路；t6时刻混合式直流断路器动作完成，故障电路成功切除。

3 基于超导限流器的直流断路器应力分析

前文指出本文所提的桥型超导限流器具有更好的灵活性，同时能够降低系统重合闸的需求，这些特性对混合式直流断路器的动作十分有利。本节进一步研究超导限流器和混合式直流断路器的配合问题，以及定性地分析在加入超导限流器后混合式直流断路器的应力变化。

3.1 工作过程

为了保证系统的稳定性，超导限流器与故障限流器之间的配合设计应满足以下条件[18]：

a)直流断路器中主断路器动作时,超导限流器的阻值应达到稳定值。

b)超导限流器电阻在主断路器动作前达到了稳定值，且超导限流器电阻阻值应使故障放电回路呈现过阻尼状态。

c)直流断路器中主断路器阀段关断时，故障电流应低于直流断路器的最大开断电流。

在超导限流器和混合式断路器的时序配合上，先由超导限流器对故障电流实现稳定限流后混合式直流断路器才开始动作。图4给出了本文所提方案超导限流器与混合式直流断路器配合动作流程图。

在直流配电网发生故障时，由于流过超导限流器的电流密度增大，超导限流器启动对故障电流进行限流，当检测装置检测到故障电流小于设定值后，混合式直流断路器才开始动作；若故障电流不满足要求时，则投入IGBT级联电阻进一步限流。混合式断路器开始动作时，在其机械开关拉升足够的绝缘能力的过程中，由于超导限流器已经在前期对故障电流起到了限制作用，故障电流被限制住不再继续发展，从而可以极大地降低混合式断路器在开断时所承受的最大故障电流上升率和故障电流。

3.2 直流断路器整机应力分析

当故障发生后，直流断路器按照工作情况可以分为MOV未启动时的低阻高通阶段，以及MOV启动后的高阻阶段。图5给出了这2个阶段的示意图，其中RSFCL为限流器的等效阻抗，Xline为线路的等效电抗。

图4 限流器与断路器配合工作流程图Fig.4 Flow chart of cooperation between current limiter and circuit breaker

图5 故障电流回路分断暂态过程示意图Fig.5 Breaking transient processes of fault current circuit

在高通阶段，直流断路器的阻抗很低，断路器上的压降ubreaker很小(可以忽略不计)，直流系统线路电感产生感应电压uL，限流器上的压降为USFCL，则有

(1)

同上，当MOV启动后，断路器进入高阻阶段，则

(2)

式中UMOV为MOV的电压，求解式(1)和(2)，可得故障电流表达式：

(3)

如果故障电流发展时间为T1，则断路器分断的最大电流

(4)

最大电流上升率

(5)

根据式(3)—(5)可知，限流器电压USFCL的存在，将使故障电流、断路器分断的最大电流以及最大电流上升率均有明显下降。

混合式直流断路器在关断时刻所耗散的能量主要来源于2个方面：一方面来自于直流电源，另一方面来源于线路电抗的储能。由于限流器串入直流系统，则此时直流电源产生的能量

(6)

式中γ=(UMOV+USFCL)/Udc。线路电抗储存的能量

(7)

混合式直流电断路器所耗散能量E为上述二者之和，即

(8)

根据式(8)可知：在直流混合式断路器分断过程中存在5个参量——故障电流极值imax、故障电流上升率di/dt、系统经超导限流器限流后的电压水平(Udc-USFCL)、MOV电压以及断路器总耗散能量E。通过这5个参量可以反映混合式高压直流断路器承受的最苛刻的整机应力水平[19]。从式(6)、(8)可以看出，USFCL的存在将明显减小直流电源产生的能量以及混合式直流电断路器所耗散的能量。

3.3 直流断路器部件应力分析

分析IGBT、缓冲电容以及MOV的开关应力，需要分析第2阶段的相关应力即可。可以将第2次电流转移分为5个阶段[20-24]：

阶段1——故障电流在转移支路的IGBT中继续上升；

阶段2——转移支路的IGBT接到闭锁信号后关断，转移支路的IGBT和RCD回路的电容之间进行换流；

阶段3——LC震荡释能阶段；

阶段4——缓冲电容和MOV之间进行换流；

阶段5——故障电流全部换流至MOV上。

图6为第2次电流转移的暂态过程示意图。

图6 故障电流回路第2次换流暂态过程示意图Fig.6 Diagram of the second commutation transient process of fault current circuit

3.3.1 IGBT关断应力

如图6(a)所示，在IGBT尚未接到闭锁信号时，故障电流流过IGBT，在t4时刻IGBT关断，此时由于限流器的接入，则故障电流

(9)

设定缓冲电容电压uc的初始状态为：

uc(t4)=0,

(10)

(11)

如图6(b)所示的阶段2，即IGBT与缓冲电容之间的换流过程可表示为

(12)

式中：RSFCL(t)为限流器在断路器合闸过程中的阻抗拟合表达式；R(t)为工程提取的恒温条件下IGBT关断过程阻抗拟合表达式,为便于计算将IGBT关断过程阻抗R(t)视为常数。根据式(12)可得

(13)

其中：

(14)

式中C1、C2均为拟合等效电容值。由于限流阻抗RSFCL(t)的存在，在IGBT的关断过程中，其电压应力等于缓冲电容电压应力，即

uIGBT(t)=uc(t)=iIGBT(t)R(t).

(15)

式中：uIGBT(t)、iIGBT(t)分别为IGBT的电压和电流。IGBT在关断过程的瞬时功率PIGBT(t)和关断损耗EIGBT(t)分别为：

(16)

(17)

将式(13)代入式(15)、(16)，则可发现IGBT在关断过程的瞬时功率和关断损耗均降低。

3.3.2 缓冲电容应力

当IGBT的电流全部换流到缓冲电容后，断路器开始LC震荡释能。换流完成时刻，缓冲电容的电压

(18)

式中ic为缓冲电容电流。震荡释能的等效电路如图6(c)所示，对其列写回路方程

(19)

解得

uc=C3eλ3t+C4eλ4t+XlineCUdc,

(20)

式中C3、C4均为拟合等效电容值，其中：

(21)

缓冲电容电压会持续上升，当电容电压达到设定的避雷器动作电压时，开始进入阶段4至5，即缓冲电容与MOV之间进行换流，此时回路方程

(22)

式中RMOV(t)为工程提取的MOV阻抗表达式。根据式(18)—(22)可知，此阶段电容的缓冲应力降低。

4 仿真分析

为分析对比加入超导限流器前后混合式直流断路器在开断故障电流时的应力变化，在MATLAB/Simulink中搭建了混合式直流断路器和超导限流器的仿真模型。表1给出了仿真参数，其中回路电阻和线路电感用以模拟直流配电网的环境，RCD电阻和电容在保证吸收电路储存能量的基础上选择尽量小的参数以避免产生过大的反向电流。本文仿真方案设定如下：混合式直流断路器工作在400 V的直流配电网中，正常运行时负载电流为80 A；断路器的额定电压为400 V，额定电流为125 A，最大故障电流上升率约为2 kA/ms；故障时，断路器动作电流整定为额定电流的1.4倍，即175 A。加入限流器后保证在断路器动作前将故障电流限制到断路器的动作电流，且在断路器动作后限制故障电流的发展，同时降低故障电流上升率。

图7和图8给出了混合式直流断路器开断过程中电流和电压的仿真波形，图9所示为直流断路器中第1次换流过程，图10所示为直流断路器第2次换流过程。

表1 系统仿真参数 Tab.1 System simulation parameters

4.1 整机应力仿真

加装超导限流器后，通过超导限流器和混合式直流断路器的配合，在故障的初始阶段超导限流器能很好地限制故障电流的上升率，当故障电流发展到断路器的动作电流时，启动断路器切除故障回路。图11所示为加装超导限流器前后混合式直流断路器开断故障电流的仿真结果，由图11可知：在未装设限流器前，断路器在达到动作电流开始动作后，机械开关建立最大绝缘能力需要时间，因此故障电流继续上升，最大故障电流达到305 A；而加装超导限流器后，故障前期限流器对故障电流进行限流，当断路器动作时，故障电流不再发展，因此断路器所需承受的最大故障电流和故障电流上升率都大幅度降低，同时断路器的开断时间也变短，这对于直流配电系统的保护来说时十分有意义的。图12所示为断路器在开断故障电流过程中的能量损耗，在加装超导限流器后，断路器在1次开断过程中的所耗散的能量从8 J降低到2 J。

图7 混合式直流断路器开断过程电流波形Fig.7 Current waveforms of hybrid DC circuit breaker during breaking process

图8 混合式直流断路器开断过程电压波形Fig.8 Voltage waveforms of hybrid DC circuit breaker during breaking process

图9 断路器第1次换流过程Fig.9 The first commutation process of circuit breaker

图10 断路器第2次换流过程Fig.10 The second commutation process of circuit breaker

图11 混合式直流断路器开断过程电流波形Fig.11 Current waveforms of hybrid DC circuit breaker during breaking process

图12 混合式直流断路器开断过程能量损耗仿真结果Fig.12 Energy loss of hybrid DC circuit breaker during breaking process

4.2 部件应力仿真

加装限流器后故障电流的大小和上升率都得到了抑制，因此对于混合式直流断路器中各个器件来说，在开断故障电流的过程中，各器件所承受的应力也发生变化。图13和图14所示为在开断故障电流时，转移支路上的IGBT电流以及能耗的仿真结果，在加装限流器后IGBT所承受的最大故障电流和能耗都得到了降低。图15所示为RCD支路上缓冲电容的电流仿真结果，加装限流器后，降低了所承受的最大故障电流，同时由于故障电流的降低，电容两端电压在上升到MOV启动电压所需的时间也变长，故缓冲电容中流过故障电流的时间变长。

图13 IGBT分断故障电流仿真波形Fig.13 Current waveforms of IGBT breaking fault current

图14 IGBT分断能量损耗仿真结果Fig.14 Energy loss of IGBT breaking fault current

图15 缓冲电容分断电流仿真结果Fig.15 Current waveforms of buffer capacitance breaking fault current

5 结论

为了降低混合式直流断路器在开断故障电流时承受的应力，本文提出了一种新型桥型超导限流器，研究超导限流器对混合式直流断路器的开断特性的影响，通过理论推导和仿真分析得到以下结论：

a)所提出的新型桥型超导限流器，可以实现限流电阻的多级投入控制，弥补原有限流装置灵活性不足的缺点，器件简单且可靠性较高。

b)加入桥型超导限流器后，混合式直流断路器在开断故障电流时所承受的故障电流明显降低，耗散的能量减少，断路器的动作时间缩短，对于直流配电网的保护具有重要意义。

c)加入桥型超导限流器后，混合式直流断路器中的各个器件所承受的应力也相应减小，能够有效地延长混合式直流断路器中电力电子器件的使用寿命。