短路电流对混合式断路器关断的影响分析

茹梦歌，彭振东

短路电流对混合式断路器关断的影响分析

茹梦歌，彭振东

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对混合式直流断路器在短路电流上升沿就开始分断动作的特性，展开短路电流预期峰值以及时间常数对断路器分断过程的影响的分析及仿真试验。通过理论计算以及搭建仿真模型，得出在不同短路电流和时间常数情况下断路器的各项工作指标的变化。

混合式断路器 短路电流 时间常数 关断过程

0 引言

直流电流不存在过零点，在断路器分断电流时，必需强制熄灭电弧才能断开电流[1]；而混合式直流断路器与传统的直流断路器不同，其在短路电流的上升沿就开始分断的动作。因此，其分断条件除了受短路电流影响之外，也受时间常数的影响[2]。

文献[3]指出了时间常数是直流供配电系统以及直流断路器的重要参数，对直流供配电系统中直流断路器分断电流性能影响很大，但未分析短路时间常数对断路器各个分断指标的具体影响。

很多文献都研究过短路电流对断路器是否能关断成功的影响，但不同短路电流对断路器关断过程中各项指标的影响尚缺少具体研究。

针对上述问题，本文针对一种混合式直流断路器，分析它在不同短路电流预期峰值和时间常数下，机械开关燃弧电流峰值、晶闸管关断电流等的变化规律，并通过搭建仿真模型，观察断路器截断电流、分断时间、压敏电阻吸收能量等随短路电流预期峰值和系统时间常数的变化规律。

1 断路器工作过程分析

如图1所示，0和0为系统等效阻感，点为短路点，机械开关构成断路器的主开关支路，晶闸管1构成电流转移支路，晶闸管2、2和2构成的强迫关断支路，压敏电阻构成限压耗能支路。

图1 断路器拓扑图

当断路器成功开断时，各电流变化如图2所示。在0时达到断路器关断整定值，在1时，机械开关开始关断，同时触发晶闸管1，使其在弧压的作用下导通，电流开始转移到晶闸管1中；当S降到0之后，在2时触发晶闸管2，2、2、1、2回路导通，1中的电流在反向脉冲作用下开始下降，电流开始对2反向充电；随着2电压升高，达到的开通电压，压敏电阻开通，电流转移到耗能支路中。

图2 断路器关断过程电流波形

断路器也有关断失败的情况，当机械开关燃弧电流峰值过大时，在2开通时，支路上的电流S还未降到零，电流转移失败造成断路器关断失败，如图3所示。即使在2开通前S降到0，但若没有足够的介质恢复时间，会重新导通导致关断失败。另外，晶闸管1关断失败，2储能过低，以及压敏电阻等因素均会造成断路器关断失败。

图3 断路器关断失败电流波形

2 短路电流和时间常数对断路器关断影响的理论分析

从控制系统检测到整定电流到发出关断信号到机械开关接收到控制信号并开始关断，需要一定的间隔时间。为了简化控制，2也需提前设置好开通时间。

忽略系统正常运行时的电流，则短路电流表达式为

其中max为短路电流预期峰值，为时间常数，短路电流增长率为

如图4所示为断路器分断过程中的一些电流和时间的概念。在0时刻短路电流到达断路器整定值，1时刻机械开关开始关断，3时刻短路电流达到最大值即断路器截断电流，从整定电流增加到截断电流的时间3-0为断路器的截断时间，从整定电流到短路电流降为0的时间4-0为断路器分断时间。

图4 断路器分断时间定义

2.1 时间常数的影响

推导出

将式（4）代入式（5）可得

由式（6）可以看出，当max保持不变，为定值时，随时间常数的增大而减小。因此在理想线路和元器件的条件下，机械开关燃弧电流峰值和晶闸管关断电流都随时间常数的增大而减小。

2.2 短路电流预期峰值的影响

根据式（2）可知，当时间常数不变时，电流增长率随max增大而增大，随时间的减小而增大。因此当时间常数不变时，max越大，短路电流越快到达整定值，电流增长率越大，则越大。在理想线路和元器件条件下，机械开关燃弧电流峰值和晶闸管关断电流都随短路电流预期峰值的增大而增大。

3 仿真试验分析

在PSCAD中搭建断路器的仿真模型，通过改变主系统等效电感，来改变时间常数；通过同时改变主系统等效电阻和电感，来保持时间常数不变的同时改变预期短路电流峰值。

图5 不同max和时燃弧电流峰值

图5为机械开关燃弧电流峰值分别随时间常数和预期短路电流峰值max的变化。当max不变时，燃弧电流峰值随的增大而减小；当不变时，燃弧电流峰值随max的增大而增大。

图6为电流转移时间分别随时间常数和预期短路电流峰值max的变化。当max不变时，电流转移时间随的增大而减小；当不变时，电流转移时间随max的增大而增大。

随着机械开关燃弧电流峰值增加和电流转移时间增加，机械开关燃弧能量也增加。由于强迫关断支路的导通时间是固定的，燃弧能量的过大会导致机械开关开断失败。从试验结果来看，当时间常数为1 ms时，预期电流峰值大于等于50 kA时，在2、2、1、2回路导通前，机械开关没有成功开断，因此断路器就会关断失败；当预期短路电流峰值110 kA，时间常数3 ms时，机械开关也不能成功开断，断路器也会关断失败。

图6 不同max和时电流转移时间

图7 不同Imax和τ时晶闸管关断电流

图7为晶闸管关断电流分别随时间常数和预期短路电流峰值max的变化。在断路器关断成功的条件下，当max不变时，晶闸管关断电流随的增大而减小；当不变时，晶闸管关断电流随max的增大而增大。

晶闸管关断电流过大，可能会超出晶闸管正常工作范围，导致晶闸管不能正常关断，从而造成断路器关断失败。

图8为截断电流分别随时间常数和预期短路电流峰值max的变化。当断路器成功关断时，截断电流是短路电流的最大值。在断路器关断成功的条件下，当max不变时，截断电流随的增大而减小；当不变时，截断电流随max的增大而增大。

图9为分断时间分别随时间常数和预期短路电流峰值max的变化。分断时间越短，则断路器和系统承受短路电流的时间就越短。在断路器关断成功的条件下，当max不变时，分断时间随的增大而增大；当不变时，分断时间随max的增大而减小。

图8 不同max和时截断电流

图9 不同Imax和τ时分段时间

图10为压敏电阻支路电流的波形图，由图示试验结果可以看出，max越大，压敏电阻开通越早，对短路电流的能量消耗越快，但通过的电流值越大；越小，压敏电阻开通越早，对短路电流的能量消耗越快，但通过的电流峰值越大。

图11是压敏电阻消耗的能量分别随时间常数和预期短路电流峰值max的变化曲线。在断路器关断成功的条件下，当max不变时，压敏电阻消耗的能量随的增大而增大；图11中红色圆圈圈出同一时间常数下，压敏电阻耗能最小的位置，可以看出，当不变时，压敏电阻消耗的能量基本随max呈现先减小后增大的趋势，随着的增大，这个最小点会在max越大时出现。

图10 压敏电阻支路电流变化波形

图11 不同max和时压敏电阻耗能

4 结论

对于传统的直流断路器，其分断过程是在短路电流达到峰值之后进行的。因此，对于同一型号断路器，不论电路时间常数是多少，该断路器都能开断比额定短路电流小的短路电流。

而混合式直流断路器的开断是在短路电流上升阶段就开始进行的，因此断路器的分断能力受短路电流峰值和短路电流上升率大小的影响。短路电流越大或短路电流时间常数越小，则S燃弧电流峰值、晶闸管关断电流和截断电流越大，断路器关断环境越苛刻，越容易关断失败。但若能关断成功，其分断时间也会越短，能使系统更迅速脱离故障。对于同一型号混合式直流断路器，它能分断比其额定短路电流小和时间常数大的短路电流。

[1] Ding C, Tang D, Tian X. Contact design of arc extinguishing chamber in virtual platform of mechanical DC circuit breaker[C]// 2020 5th Asia Conference on Power and Electrical Engineering (ACPEE). 2020.

[2] 孔祥斌, 矫财东, 赵亮, 等. 直流断路器在不同时间常数下临界负载电流的测试及分析[J]. 电器与能效管理技术, 2018, 559(22): 86-90.

[3] 王兴利, 赵科达, 胡浪涛, 等. 低压直流断路器时间常数探讨[J]. 电气技术, 2018, 19(10): 88-91.

Analysis of influence of short circuit current on shutdown of hybrid circuit breaker

Ru Mengge, Peng Zhendong

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

A

1003-4862（2022）06-0045-04

2021-09-01

茹梦歌(1996-)，女，硕士。研究方向：舰船电力电子应用技术研究。E-mail: 1181144685@qq.com