固态断路器在电器试验系统中的运用

陈慧欣，罗 园

（甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018）

高压交流断路器作为大容量试验操作控制的核心设备，因为操作次数频繁，要求开断控制精度高，开断电流大，单纯的机械结构高压断路器已经不能够满足试验需求。固态断路器作为一种特殊的控制高压断路器，可以利用电力电子器件和机械高压断路器的组合做到无触点开断，能够在试验室频繁操作，控制精度高，机械寿命长，较普通断路器有更多优势[1]。

该产品中电力电子器件采用串极并联电容的设计，有效实现了每一级电压的均衡分配。控制电路采用单片机控制，使得开关的控制可以实现自动化、网络化、智能化[2]。

该固态断路器分断能力高、开断时间短、机械寿命长、容量大，能够满足大容量试验室实际使用的需要，可以成功地取代电器试验回路中的断路器与接触器的组合，实现了真正意义上的无飞弧，大大节省了电器试验回路的安装空间，节省了限流装置的使用，避免了限流装置的能耗，节约了成本，有很高的应用价值。

1 固态断路器的理论背景

随着电力系统配电自动化和现代化工业以及电力电子技术的不断发展，对高压断路器的要求也越来越高，尤其是大容量短路试验室对于短路试验容量和试验关合角度的要求越来越严酷。

高压交流断路器作为大容量试验必备设备，要求操作次数频繁、开断控制可靠、开断电流较大，而单纯的机械结构断路器已不能够很好地满足试验操作的需要。高压断路器作为电力系统的重要控制和保护设备，对于维护电网安全和稳定运行有着重要的作用。目前，由于机械断路器自身的限制，对于开断电压高故障电流大的回路来说着有一定的困难，尤其是大容量短路试验室经常对12 kV、60 kA以上的电流进行开断，这样的开断要求对于机械结构的断路器来说有一定的困难，且开断次数受限，而智能化的固态断路器就可以很好地解决这一问题。

1.1 现阶段研究与开发的意义

目前的交流高压断路器都是利用交流电弧过零自然熄灭这一特性，通过改善灭弧介质、吹弧、拉弧、并联电阻等方式使得电弧熄灭，从而断开电路。而电弧是否熄灭取决于介质强度的恢复速度和外施电压的上升速度等因素，采用最广泛的介质是SF6，此种方式在频繁的开断中会产生有毒气体危害人体健康，尤其在短路容量试验室这种试验场合危害更大。该产品是利用电力电子器件的无触电特性设计的一种开关装置，克服了传统机械结构断路器的缺点，不会在电流开通关断瞬间产生电弧，再配合机械式断路器一起工作。

随着电力电子技术、数字化技术和网络技术的快速发展，利用电子电力器件做到断路器无触点开断，对固态断路器也可以实现智能化网络化控制。由于智能电网不仅需要提前判断电力故障，还需要有效切断故障，使用固态断路器就是一种有效控制方案。

1.2 国外同类先进技术

在高压固态断路器的研究与开发方面，发达国家处于技术领先地位。美国一科研机构已经制造出15 kV大功率电力电子器件、600 A的高压固态断路器，该样机能够在4 ms内完成开断。美国西屋电气公司也研制出了13 kV、675 A的高压固态断路器，并在某变电所投入应用；同时还有英国一电气公司也研究开发了13 kV的高压固态断路器，专门应用于供配电系统。其他发达国家也专门开展了高压固态断路器的研发，但大多数国家还处在进行样品的开发，处于早期研究阶段。英美研究开发的高压固态断路器，其主要通过几个数千伏耐压的可关断晶闸管（GTO）串联来实现开断功能，基本都能在数十毫秒内实现开断。

通过查阅各类文献发现[3-12]，理想的高压固态断路器应该具有以下特点：

（1）稳定性良好，开断速度快，能够在几毫秒甚至在微秒级别范围内开断。

（2）对开断的时刻应能精准控制。

（3）机械寿命及电寿命都尽可能长，不受使用时间限制。

（4）能有效地控制各种故障电流。

（5）结构及功能良好,保证无严重故障。

高压固态断路器速度虽然要比上述理想的高压固态断路器慢很多，需要数十个交流二线式固态开关才能完成联动，但短路的开断时间完全能够控制在数十微秒以内，能有效地限制各种故障电流，短路分段能力虽然不能无限大，但能够分断的故障电流是额定电流的数十至数百倍。并且，允许短路次数实际上不会受到限制。基本上能够达到上面提到的理想高压固态断路器的条件。

1.3 固态断路器技术分析

笔者单位根据实际需要采用6.5 kV，2 kA的IGCT器件12只单路一组串联，后两组再并联的方式形成一相，设计相序任意时刻的控制电路，配合控制断路器，来满足试验控制需要。相比国外的技术有以下优点。

（1）在一个工频周期内可以根据需要控制开关合分闸的角度。

（2）通流能力强，器件功耗低，不需要大面积的散热装置。

（3）无机械机构，控制操作无噪声，无机械力冲击。

（4）采用了自关断器件，这样断路器就能够在最短的时间内切断电流，给电器试验以更加可靠、安全的保护。

（5）配合机械结构断路器同时控制使用，大幅提高了控制和通流能力。

（6）在200 ms内的通流能力可以达到50 kA，可控性强。

实现了真正意义上的无飞弧，所以大大节省了电器试验回路的安装空间，同时，可以用于矿山等要求防爆电器的严酷环境。

2 固态断路器和传统断路器的区别

根据国家标准GB/T 1984规定高压断路器一般是指运行在额定频率50 Hz,额定电压等级在3 kV以上的交流断路器，高压断路器主要作用就是电网回路中开断和接通回路，来完成电网的配电功能。

传统的高压断路器都是机械机构带动灭弧室中的动静触头做机械运动来切断电流，使回路中产生断口的方式来实现。所有高压电路器主要有机械机构和灭弧室等核心结构组成。

我国目前的输配电电网系统中，应用最广泛的断路器是GIS、少油断路器、SF6断路器、真空断路器等。35 kV以下市场基本是真空断路器，目前，真空断路器的电压等级也在逐步提升。

（1）固态断路器。随着电力电子技术以及现代工业的快速发展，固态断路器作为柔性配电技术也逐步进入了人们的视野。固态断路器是结合计算机技术、微电子技术、电力电子技术等多项技术，朝着智能化的方向迈进。固态断路器主要由以下几部分构成：信号检测与处理、主控模块、冷却模块、电源模块、开关模块，如图1所示。

图1 固态断路器控制结构图

（2）固态断路器的工作原理。固态断路器工作是通过检测模块，电压互感器、霍尔原件等检测到电压电流信号后，系统把检测到的信号送入控制单元，控制单元根据检测到的信号波形，符合接通或者开断条件时做出判断，根据波形的位置条件在合适的角度接通或者开断。信号单元先是对采集到的波形进行滤波处理，送入AD模块经过处理，根据控制信号的控制要求角度进行合分操作。因此，当发生故障时，控制单元检测到信号后，迅速做出动作，固态断路器迅速断开，其开断速度可以达到毫秒级。

3 固态断路器结构分析

设计的固态断路器是将电力电子器件通过并联和串联的方式连接在一起，通过串联的模式提高电压等级，通过并联的形式形成交流控制模型，可以通过交流电流的开关。如果晶闸管是常规的硅整流管（SCR），则开关在交流电流第1次过零点时断开回路，这将形成几毫秒的时延。但是，采用门极可关断晶闸管（GTO），则能够在一瞬间切断电流。其原理如图2所示。

图2 固态断路器原理接线图

正常运行时，GTO导通的同时旁路断路器同时动作合闸，先是固态断路器合闸然后是旁路断路器合闸接通电流，降低固态断路器长时间工作的负担，一旦检测到故障，控制系统向GTO门极发出关断脉冲，旁路断路器和固态断路器同时接受分闸信号，旁路断路器先分闸，等待分闸到位后，固态断路器在几个毫秒内，寻找故障电流的过零点切断故障电流，因此，能够很好地抑制电网电压的跌落以及各种故障电流造成的严重损失。

晶闸管常用于大容量试验的固态断路器，如图3所示。工作原理是，先设定该定值，在发生故障时，当故障电流超过设定值时，系统检测到信号使得CK开始放电，电流经过T1、T2、LK回路，同时晶闸管T1截止，D续流，C于回路电感产生震荡，放电电流经过第一个电流零点时，T2关断，控制结束。

图3 晶闸管型断路器的开关模块

高压固态断路器结构如图4所示。首先，断路器采集高压母线上的重要信号，如电压和电路信号，也可以通过采用同步信号的方式来实现。对采集到的信号进行模数装换，输入到单片机，控制之前需要输入对控制信号的控制角度，单片机在接受控制信号之后首先判断需要控制合分的角度位置，在接收到当前控制信号的一个周期内就能做出控制动作，最长的控制动作可以在20 ms内完成，单片机采用100 MHz的控制频率，采用高速数模装换芯片，能够有效、高速、及时地做出反应。

图4 固态断路器结构

控制回路模块采用单独的电池电源供电，整体封装在一个金属盒子内，可以有效提高其抗干扰能力。单独的电池电源为其保证了在高压回路中的安全性，避免控制回路受到高压电源波动的影响。其余控制接口采用光电模块信号，使得控制更加精确、时延极短，基本在20μS内做出反应。

4 结论

固态断路器开发和应用对于电力系统或者大容量试验室短路开端试验有着不可或缺的意义。

（1）此次开发的基于电力电子技术的固态断路器采用了自关断器件，这样断路器就能够在最短的时间内切断电流，给电器试验以更加可靠、安全的保护。

（2）电器试验电压及电流的调节可以通过断路器来实现，由于固态断路器具有短路开断的功能，开断的极限次数远大于任何机械式开关，所以，本固态断路器成功取代了电器试验回路中的断路器与接触器的组合。

（3）实现了真正意义上的无飞弧，大大节省了电器试验回路的安装空间，同时，也可以用于矿山等要求防爆电器的严酷环境。

（4）短路开断时间能控制在几十毫秒以内，因此，不需要电抗限流器或超导限流器，节省了限流装置的使用，避免了限流装置的能耗，节约了成本。