http://www.aeps-info.com基于电弧电压的混合型直流断路器吕玮,方太勋,杨浩,杨兵,王宇,石巍(南京南瑞继保电气有限公司,江苏省南京市211102)摘要:混合型直流断路器同时具有传统机械开关良好的静态特性和固态开关无弧快速关断的动态特性,多端直流输电网络很大程度上依赖于直流断路器技术的发展。文中提出了一种基于电弧电压的混合型直流断路器,推导了电流换流物理过程的数学关系。通过有限元分析软件,进行了关键部件———电磁斥力机构高速开关的仿真计算。在以上基础上进行了1kA/15kV直流断路器样机的设计研制,试验结果表明,该样机的电弧最大换流能力为3kA,电流从高速开关向固态开关转移的过程呈指数关系,与理论推导相符。该样机能够在5ms内分断10kA短路电流,分断时间主要取决于高速开关开断速度以及电弧电压大小。关键词:电弧电压;绝缘栅双极型晶体管;电磁斥力机构;有限元分析收稿日期:2014-09-28;修回日期:2014-12-08。0引言多端高压直流输电系统由于电压等级高、线路阻抗小,一旦发生线路短路故障,将很快影响到直流输电网络和交流网络,必须迅速切除故障。高压直流断路器动作速度快,能够最大限度地减小故障持续时间或抑制故障电流,减小故障对交/直流输电网络的冲击[1]。尽管如此,高压直流断路器的发展并不需要等待高压直流输电网的全面出现。目前,大多数输电方案为高压直流点对点连接,高压直流断路器在线仍然可以发挥作用。除了功率转换,高压直流换流站同时还可以通过无功功率控制来提高交流网络稳定性。发生故障时,如果换流器能够迅速地与高压直流输电线路断开,那么换流站可以直接进入独立运行状态,作为静止同步补偿装置(STATCOM),继续为交流网络的稳定性提供支持。目前众多高校以及电气设备制造商都在对可快速分断故障的高压直流断路器进行研究。ABB公司于2012年提出了一种高速开关串联功率半导体辅助支路后再与主半导体支路并联的混合型直流断路器结构[2],并在其实验室进行了10kA短路电流分断试验。阿尔斯通也在近些年采用机械开关与半导体固态开关相结合的混合型结构进行了直流断路器试验,在2.5ms内切断电流3kA。国内目前的研究主要集中于低压直流断路器[3-6]。本文提出了一种基于电弧电压的新型混合型直流断路器结构,结合理论分析和软件仿真,设计研制了一台1kA/15kV样机,该样机能够在5ms内分断10kA短路电流。1工作原理1.1拓扑结构本文提出的新型混合型直流断路器的结构如图1所示,主要由高速开关、固态开关和氧化锌避雷器(MOV)组成,其中L1和L2为断路器连接导线的电感,i1为高速开关支路电流,i2为固态开关与MOV并联总支路电流,Uarc为高速开关电弧电压,Ud为固态开关导通压降。图1新型混合型直流断路器结构Fig.1Structureofnewhybriddirectcurrentcircuitbreaker正常工作时,高速开关闭合,固态开关关断,电流流过高速开关。高速开关接触电阻很小,因此稳态损耗低。断路器工作原理如下。t1时刻直流线路发生短路故障;t2时刻短路电流达到断路器换流定值,触发固态开关开通,有少部38第39卷第11期2015年6月10日Vol.39No.11June10,2015DOI:10.7500/AEPS20140928006分电流分流至固态开关;t3时刻高速开关触头分离产生电弧,将电流向固态开关转移;t4时刻电流完全转移到固态开关;t5时刻高速开关分闸到位,此时关断固态开关;t6时刻关断固态开关产生的过压达到MOV动作门槛值时,电流转移到MOV中,最终消耗至0。混合型直流断路器的分断电流过程如图2所示。图2混合型直流断路器分断电流波形Fig.2Breakingcurrentwaveformofhybriddirectcurrentcircuitbreaker1.2电流转移原理如图1所示,电流转移过程可表示为:Uarc=(L1+L2)di1dt+Ud(1)式中:di1/dt为电流转移的速率,电流转移越快越有利于缩短整个混合型断路器的分断时间。根据上式可知,提高di1/dt的方法主要有提高电弧电压Uarc,降低固态开关通态压降Ud以及减小回路导线电感L1和L2。由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)饱和特性可知,固态开关通态压降Ud的值与电流基本呈线性关系,因此可以假设:Ud=ki1(2)式中:k为线性系数,也可认为是固态开关的通态电阻。将式(2)代入式(1),可得:Uarc=(L1+L2)di1dt+ki1(3)通过求解式(3),可近似获得换流至通态阀组的短路电流i1与换流时间t...
