新型直流混合式斷路器原理及特點(diǎn)分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u16556新型直流混合式斷路器原理及特點(diǎn)分析概述 175871.1混合式直流斷路器 1181191.1.1ZVS型混合型直流斷路器 1304511.1.2ZCS型混合型直流斷路器 2247201.1.3ZVS+ZCS型混合型直流斷路器 3323931.2新型直流混合式斷路器的構(gòu)成方案 3308821.1.1主開(kāi)關(guān)模塊 484421.1.2耗能限壓裝置 5276461.1.3故障檢測(cè)裝置 6263651.1.4換流電容充電方式 6105741.3新型直流混合式斷路器的特點(diǎn) 61.1混合式直流斷路器1.1.1ZVS型混合型直流斷路器被稱(chēng)為自然轉(zhuǎn)換器的ZVS，使用由機(jī)械開(kāi)關(guān)接點(diǎn)產(chǎn)生的電弧電壓，它被設(shè)計(jì)為在發(fā)生故障時(shí)將電流轉(zhuǎn)移到固態(tài)開(kāi)關(guān)支路。當(dāng)電流完全轉(zhuǎn)移到固態(tài)開(kāi)關(guān)支路時(shí)，電弧熄滅，固態(tài)開(kāi)關(guān)在觸點(diǎn)形成足夠的絕緣間隙后即可快速完成擊穿，用MOV作為主要吸能元件完成能量耗散。結(jié)構(gòu)和分?jǐn)嘣硎疽鈭D如圖1.1所示。圖1.1ZVS結(jié)構(gòu)和分?jǐn)嘣硎疽鈭D由上述分析可知ZVS型斷路器與固態(tài)直流斷路器分?jǐn)嘣眍?lèi)似，但增加了自然換流的環(huán)節(jié)，對(duì)該型斷路器進(jìn)行應(yīng)用分析，首先應(yīng)分析其自然換流過(guò)程，自然換流過(guò)程中的等效電路如圖22所示。圖1.2自然換流過(guò)程等效電路機(jī)械開(kāi)關(guān)支路的電感和電阻不作考慮，自然換流過(guò)程中的電流轉(zhuǎn)移速率為1.1.2ZCS型混合型直流斷路器零電流型又被稱(chēng)之為強(qiáng)制整流型斷路器的ZCS。當(dāng)電路接收到短路故障信號(hào)時(shí)，機(jī)械開(kāi)關(guān)先斷開(kāi)電弧，當(dāng)觸點(diǎn)達(dá)到最適合分?jǐn)嗑嚯x時(shí)，脈沖電流出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，開(kāi)斷電流得以實(shí)現(xiàn)，這是由于在這個(gè)過(guò)程中，換流電路的反向信號(hào)產(chǎn)生了新的脈沖電流，電流流入機(jī)械開(kāi)關(guān)，正因如此我們也把零電流型斷路器稱(chēng)為電流注入直流斷路器。完成能量耗散過(guò)程的完成是依靠于吸能器件的，在系統(tǒng)中吸能器件一般使用MOV來(lái)。其結(jié)構(gòu)和分?jǐn)嘣砣鐖D1.3所示。圖1.3ZCS結(jié)構(gòu)和分?jǐn)嘣硎疽鈭D反向脈沖電流的幅值、頻率取決于C的預(yù)充電壓和LC參數(shù)的選取，理論上ZCS型斷路器對(duì)開(kāi)斷短路電流的上升率沒(méi)有限制、分?jǐn)嗄芰?qiáng)，適用于大容量分?jǐn)鄨?chǎng)合，分?jǐn)喑蓴〉年P(guān)鍵是真空開(kāi)關(guān)在電流迅速過(guò)零后要承受系統(tǒng)的暫態(tài)恢復(fù)過(guò)電壓而不被擊穿，對(duì)真空滅弧室的高頻開(kāi)斷能力要求較高。C的預(yù)充電電壓和LC參數(shù)的選擇影響到反向脈沖電流的幅值和頻率。從它的原理角度考慮，ZCS型斷路器對(duì)分?jǐn)喽搪冯娏鞯脑鲩L(zhǎng)率沒(méi)有限制，具有較強(qiáng)的分?jǐn)嗄芰?，可以廣泛應(yīng)用到大容量開(kāi)斷場(chǎng)景。真空斷流器是否能夠承受電流快速過(guò)零后的系統(tǒng)恢復(fù)瞬態(tài)過(guò)電壓決定了此過(guò)程的成功與失敗，對(duì)真空機(jī)動(dòng)管的高頻分?jǐn)嗄芰σ彩且环N考驗(yàn)。1.1.3ZVS+ZCS型混合型直流斷路器ZVS+ZCS-HDCCB結(jié)合了上文所描述分析的兩種斷路器的工作原理，使兩種方式能夠最大限度地發(fā)揮出它們各自所具有的優(yōu)勢(shì)，二者相互補(bǔ)充使功能最大程度地提升。MVDCCB混合高速真空滅弧和快速可控硅方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和擊穿原理如圖1.4所示。短路斷路過(guò)程中有兩個(gè)電流傳遞過(guò)程。第一次是接觸被打開(kāi)，電弧被觸發(fā)，T1被觸發(fā)，電流的下一部分被電弧電壓驅(qū)動(dòng)，自然地切換到T1分支;等待接觸點(diǎn)打開(kāi)，以便在打開(kāi)距離時(shí)在強(qiáng)制開(kāi)關(guān)回路中實(shí)現(xiàn)足夠的T2觸發(fā)器分?jǐn)?，因?yàn)殡姼写嬖谟谡婵諗嗬m(xù)器分支較弱,首先關(guān)閉介質(zhì)恢復(fù)真空斷續(xù)器的反向電流的作用下被迫切換循環(huán),然后T1被迫斷開(kāi)連接的反向電流，VD1打開(kāi)續(xù)流,轉(zhuǎn)移電容和MOV吸收回路的能量。圖1.4ZVS+ZCS型混合型斷路器結(jié)構(gòu)1.2新型直流混合式斷路器的構(gòu)成方案以船舶中壓直流系統(tǒng)為實(shí)用化背景，研究新型直流混合斷路器，新型斷路器一部分為主電路，另一部分為控制系統(tǒng)。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1.5所示。圖1.5新型直流混合式斷路器總體結(jié)構(gòu)框圖主電路大體分為五個(gè)部分：主開(kāi)關(guān)模塊、振蕩換流回路、耗能限壓裝置和對(duì)應(yīng)該裝置的電容充電模塊。兩個(gè)真空斷路器和一個(gè)功率二極管共同構(gòu)成了斷路器的主模塊，壓敏電阻組成耗能限壓裝置，LC振蕩電路構(gòu)成振蕩換流回路，真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給振蕩換流回路使它導(dǎo)通，它的功能是采用一定的方式從而控制了電壓的增長(zhǎng)?？刂茊卧凶钪匾牟糠质歉咚贁?shù)據(jù)處理裝置，它接收數(shù)據(jù)，根據(jù)Rogowski線(xiàn)圈測(cè)量到的總線(xiàn)電流的有關(guān)信息，對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)和判斷動(dòng)作。此外，還會(huì)根據(jù)先前建立的控制計(jì)劃向各模塊開(kāi)關(guān)發(fā)送控制信號(hào)。1.1.1主開(kāi)關(guān)模塊對(duì)于混合式斷路器，主斷路器長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行負(fù)載電流過(guò)程，本文所設(shè)計(jì)的新型直流混合斷路器組成方案中，對(duì)機(jī)械斷路器的要求越來(lái)越高，應(yīng)快速斷電的大型斷路器的電流容量，也要具有高度可靠的關(guān)機(jī)能力。（1）機(jī)械斷路器應(yīng)用在中壓供電系統(tǒng)最廣泛是真空斷路器和SF6斷路器。二者的性能差別不是很大，真空斷路器對(duì)電流的開(kāi)斷處理能力是非常強(qiáng)的，SF6斷路器在電流開(kāi)斷方面上與真空斷路器的性能極其相似。真空斷路器的電氣壽命和機(jī)械壽命都相對(duì)較長(zhǎng)。例如，真空斷路器可擊穿額定短路電流一百次以上，真空斷路器可使用20000到30000次，適用于頻繁操作場(chǎng)合。如果使用不當(dāng)或有突發(fā)情況時(shí)，SF6斷路器可能會(huì)出現(xiàn)泄漏事故，SF6氣體泄漏后會(huì)彌散在空氣當(dāng)中，經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾過(guò)程就會(huì)氟化硫，這種氟化硫水平很低但是具有強(qiáng)烈的毒性，人們呼入或接觸這種氣體后會(huì)對(duì)身體造成一定的損害。世界上一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都把精力大量放在真空斷路器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[[][]劉洪順,李慶民,婁杰,等.電感型FCL對(duì)斷路器恢復(fù)電壓上升率的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(012):84-91.真空斷路器之所以稱(chēng)為真空斷路器，是因?yàn)闇缁『蠼佑|空間中的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)均為高真空。具有重量輕、體積小、無(wú)需電弧淬火等優(yōu)點(diǎn)。真空斷路器是配電網(wǎng)中最常用的斷路器，與10kv斷路器相比具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。真空斷路器由電磁或彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、真空斷路器、絕緣支架等三部分組成，中壓等級(jí)典型結(jié)構(gòu)如下圖1.6所示[[]智會(huì),李敏,劉曉明,等.中壓直流真空斷路器滅弧系統(tǒng)絕緣分析[C]//2017第十九屆中國(guó)科協(xié)年會(huì).2017.]。[]智會(huì),李敏,劉曉明,等.中壓直流真空斷路器滅弧系統(tǒng)絕緣分析[C]//2017第十九屆中國(guó)科協(xié)年會(huì).2017.圖1.6中壓等級(jí)真空滅弧室典型結(jié)構(gòu)有三種真空電弧機(jī)理:由介質(zhì)擊穿引起的電弧;外部高壓脈沖觸發(fā)和對(duì)觸點(diǎn)進(jìn)行分岔操作時(shí)，液態(tài)金屬橋產(chǎn)生電弧。真空斷路器工作分為3個(gè)階段：觸點(diǎn)斷開(kāi)前(直接短路相);觸點(diǎn)開(kāi)啟到電流過(guò)零階段(空載引弧階段)和引弧后的中間恢復(fù)階段(此階段有兩個(gè)結(jié)果:成功斷弧和重新引弧)。分別對(duì)應(yīng)短路模塊、電弧模塊以及弧后模塊[[][]胡云生,郝佳琦,謝雅麗.基于過(guò)零檢測(cè)的繼電器觸點(diǎn)保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新,2017,000(024):112-113.（2）固態(tài)開(kāi)關(guān)目前我們?cè)诠虘B(tài)開(kāi)關(guān)中經(jīng)常需要使用到可提供大功率的器件，而且一般要求這種器件一般都由半導(dǎo)體材料構(gòu)成。主要有可控硅晶閘管、GTO門(mén)關(guān)斷晶閘管、IGCT開(kāi)關(guān)集成門(mén)晶閘管、IGBT絕緣柵雙極晶體管和功率二極管等。從固態(tài)開(kāi)關(guān)、可控硅、IGBT等的性能和可控性來(lái)看，在所有的可能性中，他們是人們最青睞的選擇。但不可忽視的是，由于有一個(gè)輔助截止電路，即振蕩開(kāi)關(guān)電路存在于我們所主要研究的斷路器中，固態(tài)開(kāi)關(guān)可以鉗住機(jī)械斷路器觸點(diǎn)和開(kāi)斷電流之間的電壓，而不是僅僅依靠固態(tài)開(kāi)關(guān)來(lái)勉強(qiáng)切斷系統(tǒng)中的短路電流。[[]周志敏.真空斷路器的應(yīng)用與發(fā)展[J].電氣開(kāi)關(guān),2001,000(004):9-11.][[][]周志敏.真空斷路器的應(yīng)用與發(fā)展[J].電氣開(kāi)關(guān),2001,000(004):9-11.[]張薇琳,張波,丘東元.電力電子開(kāi)關(guān)器件仿真模型分析和比較[J].電氣應(yīng)用,2007,26(009):64-67.[]GuzmanVM,GimenezD.AGTOmodularmacromodelforuseincircuitsimulationwithSPICE[C]//AppliedPowerElectronicsConference&Exposition.IEEE,1994:1059-1065.1.1.2耗能限壓裝置在本文中，一個(gè)非線(xiàn)性電阻并聯(lián)在主開(kāi)關(guān)模塊的兩端，以吸收儲(chǔ)存在線(xiàn)路電感中的能量，將兩端的電壓限制在標(biāo)稱(chēng)電壓以下。本文選擇ZnO壓敏電阻作為耗能限壓裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)間距接近于零，突發(fā)性波的響應(yīng)特性良好;(2)不連續(xù)電流，可承受多次過(guò)電壓;(3)響應(yīng)極快，達(dá)到納秒級(jí);(4)吸收系統(tǒng)流量大、儲(chǔ)能大;(5)直流限壓裝置很容易制造。1.1.3故障檢測(cè)裝置目前存在的短路電路故障檢測(cè)方法有很多種，為了更好地進(jìn)行故障檢測(cè)本文采用了di/dt和ΔI兩種故障判斷算法。這種測(cè)量方法相對(duì)于其他檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)具有工作狀態(tài)穩(wěn)定、檢測(cè)結(jié)果精度高，適用范圍廣可應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境[[][]陳堅(jiān).普通高等教育"十五"國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材電力電子學(xué):電力電子變換和控制技術(shù)(第二版)[M].高等教育出版社,2004.在這篇文章中,Rogowski線(xiàn)圈是用來(lái)測(cè)量短路電流的變化率,從而實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量電流的變化率,沒(méi)有電氣連接的線(xiàn)測(cè)試,對(duì)測(cè)試線(xiàn)影響小，不消耗功率。1.1.4換流電容充電方式有兩種方式可以用來(lái)給開(kāi)關(guān)回路里的電容充電:使用單獨(dú)的回路外面的電源給電容充電，如圖1.7所示;使用系統(tǒng)電壓給電容充電，如圖1.8所示。圖1.7外部電源充電電路圖1.8系統(tǒng)電源充電電路當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)S1、S3閉合，充電電路母線(xiàn)向電容C經(jīng)電阻R充電，使它的電壓值達(dá)到母線(xiàn)電壓值。當(dāng)斷路器即將工作時(shí)，斷開(kāi)S3開(kāi)關(guān)，閉合開(kāi)關(guān)電路。一次動(dòng)作結(jié)束后后,S3又一次關(guān)閉,為接下來(lái)的工作做好準(zhǔn)備。1.3新型直流混合式斷路器的特點(diǎn)目前大多數(shù)混合式直流斷路器都是用一個(gè)機(jī)械斷路器在其上并聯(lián)固態(tài)開(kāi)關(guān)組成它的重要部分主開(kāi)關(guān)模塊，本研究在原有基礎(chǔ)上再串聯(lián)一個(gè)機(jī)械式斷路器，由它們共同用作主開(kāi)關(guān)模塊，為了輔助關(guān)斷電流，在其上加以并聯(lián)振蕩換流回路,這是一個(gè)主要的特點(diǎn)。新型混合式斷路器具有著常規(guī)的混合式斷路器的基本特點(diǎn)，該特點(diǎn)是在電路正常運(yùn)行時(shí)把真空斷路器QS1當(dāng)做一個(gè)電流路徑，固態(tài)斷路器部分為開(kāi)斷斷路器的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)。由于固態(tài)開(kāi)關(guān)只在關(guān)閉時(shí)才開(kāi)啟，正常情況下幾乎沒(méi)有損耗，大大增加了固態(tài)開(kāi)關(guān)的使用壽命，省掉了笨重制冷設(shè)備的應(yīng)用成本。對(duì)于新型混合斷路器，功率二極管D2起固態(tài)開(kāi)關(guān)作用時(shí)不能被控制斷開(kāi)。振蕩換流電路會(huì)在系統(tǒng)中起產(chǎn)生相反方向電流的作用，這一結(jié)構(gòu)一般位于主開(kāi)關(guān)模板上，且與主開(kāi)關(guān)一般以并聯(lián)的形式存在，當(dāng)該電流流經(jīng)功率二極管時(shí)，功率二極管會(huì)使該反向電流從正電流變?yōu)樨?fù)電流。我們一般需要防止開(kāi)斷失敗的發(fā)生，如果在反向電流振蕩結(jié)束后，還存在正向流通的電流，我們一般將這種現(xiàn)象稱(chēng)為開(kāi)斷失敗，為了避免這種情況的發(fā)生，我們?cè)谥鏖_(kāi)關(guān)模塊中，加設(shè)QS2，它一般與主開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接，通過(guò)增加線(xiàn)路的斷口數(shù)量的方式，來(lái)降低開(kāi)斷失敗現(xiàn)象的概率。這種串聯(lián)連接的主開(kāi)關(guān)模塊結(jié)構(gòu)還有其他的作用，它也可以提高了單臺(tái)真空斷路器所需要承受的最大電壓值。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果的分析，真空斷路器的接觸距離的改變不會(huì)引起對(duì)應(yīng)的抗壓性的成比例變化。系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓增大