断路器换流参数对混合式断路器关断特性的影响

曹鹏飞，张 鹏，茹梦鸽

断路器换流参数对混合式断路器关断特性的影响

曹鹏飞，张 鹏，茹梦鸽

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

混合式断路器电气参数尤其是换流回路的参数对于断路器的性能、体积和成本有很大的影响，不同的关断环境对构成断路器各元器件的型号与参数配置有较为严格的要求。本文通过对断路器拓扑的分析计算，得出断路器换流参数对断路器关断特性的影响。

混合式断路器换流参数关断过程

0 引言

对混合式断路器的改进研究一般多在提出新型拓扑结构或改进原有拓扑结构，从电气参数层面进行优化设计的研究相对较少。不同的开断环境对混合式断路器中各路元器件的型号和参数配置有较为严格的要求，电气参数对于断路器性能、体积和制造成本等也有很大影响。随着直流电力系统的发展，对直流混合式断路器有提高分断性能、扩大使用范围、追求小型化等要求[1～2]。因此对混合式断路器的电气参数尤其是换流参数进行优化，不仅有利于满足不同系统环境下的开断条件，也有利于提高断路器自身性能。

文献[3]描述了为达到断路器分断的某种最佳状态，对换流参数如何设置，但缺少对换流参数对分断特性影响的定量分析。

文献[4]介绍了强迫换流参数对断路器中晶闸管的影响，通过设置合适的换流参数，防止晶闸管的反向恢复过电压击穿和重加正电压击穿。

关于断路器换流参数国内外少有较为系统的研究，针对上述问题，本文对断路器工作过程进行分析计算，建立断路器的数学模型，总结出断路器分断过程中的晶闸管关断电流变化率、断路器截断电流、反向电压峰值和反向电压持续时间以及断路器分断时间随换流参数的变化规律。

1 组成结构及工作原理

如图1所示为断路器拓扑结构。

断路器工作过程有电流转移阶段、强迫换流阶段和耗能阶段，对这三个阶段分别建立模型可以得到断路器主电路工作过程的模型。

图1 断路器主回路拓扑

图2 自然换流过程的等效电路图

如图2所示为自然换流过程的等效电路图，图3为其S域等效电路图，其中a是机械开关关断时的弧压，S1是机械开关支路杂散电阻，S1是机械开关支路杂散电感，U1是晶闸管1的阈值电压，R1是电流转移支路等效电阻，L1是电流转移支路等效电感。

图3 自然换流过程S域等效电路图

由于短路电流数值大且上升率高，为便于分析计算，做出以下三个假设条件：

a)系统初始时刻电流近似于零；

b)以电流开始转移的时刻为零时刻；

c)假设从系统开始短路到电流开始转移的时间段为t1。

基于以上假设，短路电流为

根据图3可列式（3）

其中：

如图4所示为强迫换流阶段的等效电路图。

以触发晶闸管T0导通的时间为零时刻，可列下式

初始条件为：

解得：

压敏电阻采用式（9）模型：

在代入合适参数后，通过改变换流电容值和换流电感值，总结出换流参数对断路器关断特性的影响趋势。

2 换流电容对断路器关断特性的影响

在实际应用中，电力系统对断路器体积与重量有一定的要求。换流器件的体积重量占了很大比重，为保证强迫换流阶段的成功，需要大电容和高充电电压，这导致电容以及充电机的体积重量增大。为保证晶闸管的关断电流变化率在一定范围内，不至于使d/d过大损坏晶闸管等器件，也不至于使d/d过小导致换流失败或增加关断时间，换流电感也许选定合适的数值。研究换流参数对断路器关断特性的影响规律，可以在实际应用中，根据系统对断路器的要求调整换流参数。

以换流电感作为自变量，总结观察晶闸管关断电流变化率、断路器截断电流、反向电压峰值和反向电压持续时间以及断路器分断时间随变量的变化规律。

取10组换流电感的值，对结果进行分析统计可得电感变化对晶闸管关断电流变化率、断路器截断电流、反向电压峰值和反向电压持续时间以及断路器分断时间的影响，在其他条件不变的情况下，当电感大于等于2.2 μH时，断路器会关断失败。

图5为晶闸管关断电流变化率随换流电感的变化曲线，随着换流电感的增大，晶闸管关断电流变化率减小。针对关断电流变化率这一指标，电感的选择最大不能使强迫换流失败，最小不能使晶闸管损坏。

图5 di/dt随换流电感的变化曲线

图6为断路器截断电流随换流电感的变化曲线，可以看出换流电感的变化基本不影响截断电流的大小。

图6 截断电流随换流电感的变化曲线

图7为晶闸管关断后的反向电压峰值随换流电感的变化曲线，可以看出，随着电感的增大，反压峰值降低，反向电压峰值对晶闸管的关断时间有一定的影响，反压越高，晶闸管关段时间越短，反向电压过高可能会导致晶闸管反向击穿，在保证晶闸管不会反向击穿的情况下，选择更小的电感有利于晶闸管的反向恢复。

图7 反向电压峰值随换流电感的变化曲线

图8为反压持续时间随换流电感的变化曲线，电感越大，反向电压持续时间越短，反压持续时间过长不利于断路器分断的快速性，反压持续时间越短，则有可能在晶闸管载流子未完全复合前给晶闸管两端加上正向电压，导致晶闸管正向击穿，在保证其大于晶闸管关断时间的前提下，应选择更大的换流电感以缩短反压持续时间。

图8 反压持续时间随换流电感的变化曲线

图9为断路器分断时间随换流电感的变化曲线，随着换流电感增大，断路器的分断时间增加。

图9 断路器分断时间随换流电感的变化曲线

3 换流电容对断路器关断特性的影响

以换流电容作为自变量，总结观察晶闸管关断电流变化率、断路器截断电流、反向电压峰值和反向电压持续时间以及断路器分断时间随变量的变化规律。

取10组换流电容的值，对结果进行分析统计可得电容变化的对晶闸管关断电流变化率、断路器截断电流、反向电压峰值和反向电压持续时间以及断路器分断时间的影响。

图10为晶闸管关断电流变化率随换流电容的变化曲线，随着换流电容的增大，晶闸管关断电流变化率增大，当电容过大导致电流变化率过高时，可能会导致晶闸管的损坏，而电容过小会导致强迫换流的失败。换流电容的选择应最大不能使d/d过大导致晶闸管损坏且体积要在设计单位内，最小需保证强迫换流的成功。

图10 di/dt随换流电容的变化曲线

图11为断路器截断电流随换流电容的变化曲线，可以看出换流电容的增大会导致截断电流略微增长。

图12为晶闸管关断后的反向电压峰值随换流电容的变化曲线，可以看出，随着电感的增大，反压峰值增大。

图11 截断电流随换流电容的变化曲线

图12 反向电压峰值随换流电容的变化曲线

图13为反压持续时间随换流电容的变化曲线，电容越大，反向电压持续时间越长。

图13 反压持续时间随换流电容的变化曲线

图14为断路器分断时间随换流电感的变化曲线，随着换流电容的增大，断路器的分断时间增加。

图14 分断时间随换流电容的变化曲线

4 结语

本文通过建立数学模型，来分析断路器的运行过程，通过改变换流电容和电感，来探究换流参数对断路器分断特性的影响规律，得出以下结论：晶闸管关断电流变化率随2的增大而减小，随2的增大而增大；断路器截断电流的大小基本不受换流参数的影响；反向电压峰值随2的增大而减小，随2的增大而增大；反向电压持续时间随2的增大而减小，随2的增大而增大；断路器分断时间随2的增大而增大，随2的增大而增大。

[1] 何俊佳, 袁召, 赵文婷,等. 直流断路器技术发展综述[J]. 南方电网技术, 2015, 9(2): 7.

[2] Park J D, Candelaria J. Fault Detection and Isolation in Low-Voltage DC-Bus Microgrid System[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, 28(2): 779-787.

[3] 刘晓明, 于德恩, 邹积岩. 基于弧后鞘层发展分析的直流真空断路器换流参数优化[J]. 真空科学与技术学报, 2015(9): 6.

[4] 刘轶强. 强迫换流参数对晶闸管工作特性的影响分析[J]. 船电技术, 2019, 39(11): 5.

Influence of circuit breaker commutation parameters on shutdown of hybrid circuit breaker

Cao Pengfei, Zhang Peng, Ru Mengge

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

TM561

A

1003-4862（2022）09-0014-05

2022-07-11

曹鹏飞（1983-），男，高级工程师，研究方向：低压电器设备。E-mail：xjtu3005@163.com