新型直流混合式斷路器開斷過程與仿真研究目錄TOC\o"1-3"\h\u27896第1章緒論 139091.1課題的研究背景及意義 124471.2中壓直流斷路器研究現(xiàn)狀 2301621.2.1機(jī)械式直流斷路器 2254941.2.2固態(tài)直流斷路器 2304131.2.3混合式直流斷路器 328331.3論文的主要研究?jī)?nèi)容 431288第2章新型直流混合式斷路器原理及特點(diǎn) 6102032.1混合式直流斷路器 6288942.1.1ZVS型混合型直流斷路器 657632.1.2ZCS型混合型直流斷路器 6552.1.3ZVS+ZCS型混合型直流斷路器 7238442.2新型直流混合式斷路器的構(gòu)成方案 8149562.2.1主開關(guān)模塊 9163412.2.2耗能限壓裝置 10111442.2.3故障檢測(cè)裝置 10147472.2.4換流電容充電方式 1033452.3新型直流混合式斷路器的特點(diǎn) 111551第3章新型直流混合式斷路器開斷過程分析 13152723.1新型直流混合式斷路器的開斷過程 1323243.3.1故障電流分?jǐn)噙^程 1398203.3.2小電流分?jǐn)噙^程 1434053.2新型直流混合式斷路器開斷過程的數(shù)學(xué)分析 1428112第4章新型直流混合式斷路器開斷仿真分析 23223254.1艦船直流供電系統(tǒng)概況 23228914.2新型混合式直流斷路器仿真模型搭建 24148554.2.1真空斷路器 24151434.2.2功率二極管 2412424.2.3其他元器件 25242524.3新型直流斷路器開斷特性仿真 2645024.4本章小結(jié) 2818231第5章全文總結(jié) 3022080參考文獻(xiàn) 32

摘要中壓直流供電系統(tǒng)已成為世界各國(guó)船舶供電發(fā)展的重要方向,在提高電網(wǎng)的可靠性、提升能源利用效率方面具有突出優(yōu)勢(shì)。船舶供電系統(tǒng)的阻抗小，故障電流及其上升率大，故對(duì)直流斷路器性能提出了很高的要求。本文首先介紹了三種代表性直流斷路器，簡(jiǎn)述了它們的工作原理，介紹了近幾年國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展。本文重點(diǎn)研究基于真空斷路器器件和功率二極管器件的新型中壓直流混合式斷路器，說明了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其工作原理?；贛ATLAB/Simulink軟件搭建了新型混合式斷路器的電路仿真模型，與此同時(shí)對(duì)斷路器開斷短路電流進(jìn)行仿真，電流、電壓的仿真波形充分驗(yàn)證其開斷特性。本文以目前研究較淺的艦船中壓直流電力系統(tǒng)為應(yīng)用場(chǎng)景，搭建了艦船直流系統(tǒng)的等效模型和新型混合式斷路器開斷電流過程的數(shù)學(xué)模型。以5kV/4000A-100kA混合式斷路器為例，展開了對(duì)新型混合式直流斷路器開斷特性的研究分析。關(guān)鍵詞：直流混合式斷路器；艦船中壓直流供電；仿真模型4第1章緒論課題的研究背景及意義近年來,中壓直流應(yīng)用范圍很廣，在鐵路高鐵交通、風(fēng)能電力場(chǎng)、采用高科技能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互的電網(wǎng)等方面。在船舶動(dòng)力領(lǐng)域，集成動(dòng)力系統(tǒng)(IntegratedpowerSystem,IPS)是電力與動(dòng)力技術(shù)的深度融合，各個(gè)國(guó)家集中精力在這一研究上。以電能做最原始形式的能量是它的構(gòu)建理念，通過綜合能源管理平臺(tái)動(dòng)態(tài)配置進(jìn)行需求能源充電。采用MVDC技術(shù)路線的IPS具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，有利于減少能量損失，提高傳輸效率，易于替換能量、存儲(chǔ)能量、武器系統(tǒng)集成和整體系統(tǒng)性能優(yōu)化，它是國(guó)內(nèi)外船舶的一個(gè)能源領(lǐng)域的長(zhǎng)期研究目標(biāo)[[]劉思奇,胡鵬飛,江道灼,莊勁武.中壓船舶直流供電系統(tǒng)限流開斷技術(shù)[J/OL].電工技術(shù)學(xué)報(bào):1-14[2021-05-30]./10.19595/ki.1000-6753.tces.L90056.[]劉思奇,胡鵬飛,江道灼,莊勁武.中壓船舶直流供電系統(tǒng)限流開斷技術(shù)[J/OL].電工技術(shù)學(xué)報(bào):1-14[2021-05-30]./10.19595/ki.1000-6753.tces.L90056.綜上所述，若要滿足在未來船舶供電系統(tǒng)中對(duì)中壓直流系統(tǒng)大容量開斷、迅速限制電流的保護(hù)需求，為了迅速切斷短路電流，直流斷路器需要迅速接通，確保直流供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。直流斷路器在直流供電系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色，本文根據(jù)直流斷路器的工作原理對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能達(dá)到我們所需要的開斷效果。1.2中壓直流斷路器研究現(xiàn)狀1.2.1機(jī)械式直流斷路器機(jī)械式直流斷路器通常由機(jī)械作用機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開關(guān)分開合上。機(jī)械式直流斷路器主開關(guān)通常采用銅和鎘的混合金屬來做觸頭，接觸電阻很小，一般為一到十Ωμ，因此，直流機(jī)械斷路器的通斷損耗特別低[[]畢澤宇.機(jī)械式直流真空斷路器仿真與開斷試驗(yàn)研究[D].大連理工大學(xué),2018.]。一種是無源換流法開斷，另一種是有源開斷法開斷。前者利用電弧的負(fù)伏安特性，使流過主開關(guān)的故障電流振蕩，并逐漸加大振蕩的幅度。當(dāng)主開關(guān)中的振蕩電流變?yōu)榱銜r(shí)，過零點(diǎn)標(biāo)志著直流斷路器開斷完成。該開斷方法優(yōu)點(diǎn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是開斷時(shí)間較長(zhǎng)，開斷電流通常不超過5kA。有源換流法是先向換流電容進(jìn)行充電，把在換流支路上得到的反向高頻電流累加到主回路上，制造過零點(diǎn)開斷。有源換流法結(jié)構(gòu)與無源換流法相對(duì)來說更加繁瑣，但其開斷時(shí)間短，開斷電流大，因此，對(duì)于較大電流的開斷情況，一般采用有源換流方法。機(jī)械式直流斷路器采用傳統(tǒng)的交流斷路器作為機(jī)械式主開關(guān)，應(yīng)用于不同的直流斷路拓?fù)?，完成斷路。之所以需要?jiǎng)?chuàng)造人工零點(diǎn)，是因?yàn)橹绷鞴收想娏鳑]有自然過零點(diǎn)[[3]鄭旭,丁堅(jiān)勇,朱若曦,等.新型電流源型機(jī)電混合式直流斷路器及其在特高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[C]//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì).中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì),2015.][]畢澤宇.機(jī)械式直流真空斷路器仿真與開斷試驗(yàn)研究[D].大連理工大學(xué),2018.[3]鄭旭,丁堅(jiān)勇,朱若曦,等.新型電流源型機(jī)電混合式直流斷路器及其在特高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[C]//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì).中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì),2015.[]朱天勝,史宗謙,賈申利,等.真空直流斷路器速動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究[C]//電器裝備及其智能化學(xué)術(shù)會(huì)議.200固態(tài)直流斷路器固態(tài)直流斷路器(SolidStateCircuitBreaker，SSCB)利用電力電子開關(guān)的作用特點(diǎn)開斷短路電流更直接。電力電子開關(guān)可以快速的進(jìn)行開斷電流，因而相比其他類型直流斷路器這種器件對(duì)電流的開斷速度更快。如果想要開端較高等級(jí)的電壓和數(shù)值較大的電流，要用到很多電力電子開關(guān)，將它們串聯(lián)連接或并聯(lián)連接，原因是單個(gè)電力電子開關(guān)開斷的電壓等級(jí)不高并且開斷的電流也不。在價(jià)格方面電力電子開關(guān)比機(jī)械式要高，導(dǎo)致固態(tài)直流斷路器生產(chǎn)制造所需價(jià)格更高。在通態(tài)損耗方面電力電子開關(guān)相比其他類型開關(guān)而言相對(duì)較大，通態(tài)電阻在mΩ級(jí)，因而固態(tài)直流斷路器入網(wǎng)損耗較大。分析考慮到以上的原因，在實(shí)際應(yīng)用中一般不采用這種直流斷路器。一般情況下限壓吸能器件固態(tài)直流斷路器是由三個(gè)主要部分組成的：緩沖回路、固態(tài)開關(guān)、限壓吸能裝置，這三個(gè)部分在系統(tǒng)中通常以并聯(lián)的形式存在。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障信號(hào)會(huì)傳輸?shù)焦虘B(tài)開關(guān)中，固態(tài)開關(guān)馬上響應(yīng)，發(fā)生開斷電流動(dòng)作，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，固態(tài)開關(guān)不會(huì)發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，影響電流的流通。一般緩沖回路和限壓吸能并聯(lián)使用，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，緩沖回路和限壓吸能裝置能夠?qū)﹄娐分械母唠妷哼M(jìn)行分壓，回路中的能量流向兩個(gè)組件，不會(huì)對(duì)電路中的其他器件造成傷害。固態(tài)直流斷路器的優(yōu)點(diǎn)一般使用期限更長(zhǎng)，在其期間內(nèi)，所需要的維修費(fèi)用更少，這是因?yàn)楣虘B(tài)直流斷路器與機(jī)械斷路器相比他的內(nèi)結(jié)構(gòu)不同，不采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，這種非機(jī)械式的結(jié)構(gòu)，讓固態(tài)直流斷路器對(duì)電路進(jìn)行開斷時(shí)，他的開斷動(dòng)作非常迅速快速可控，并且不會(huì)受到電弧燃燒帶來的光損傷與響動(dòng)異常，同時(shí)也不會(huì)因?yàn)殡娀〉漠a(chǎn)生而損傷觸頭。但是它也存在著一定的缺點(diǎn)：①在正常工作情況下，電力電子開關(guān)的作用相當(dāng)于電路中的的通態(tài)電阻，并且在工作時(shí)對(duì)電流的阻礙作用非常小，因?yàn)檫@個(gè)原因使得在通抬損耗方面，電路中的電流非常大，導(dǎo)致?lián)p耗比機(jī)械開關(guān)的通態(tài)電阻大很多，為了解決這一問題，我們常常采用斷路器體積法來消除不良影響，具體措施為在固態(tài)直流斷路器中增加水冷裝置來消除這個(gè)影響，這個(gè)方法相當(dāng)于增加了斷路器的體積；②IGBT是現(xiàn)在在固態(tài)直流斷路器中最常用的電力電子器件，盡管IGBT的開斷速度很快，但是它的容量問題限制著固態(tài)直流斷路器的使用，即使容量最大的IGBT器件也不能直接在直流斷路器中正常工作，我們一般都需要進(jìn)行并聯(lián)處理。這種對(duì)IGBT的處理，提高了固態(tài)真空直流斷路器的造價(jià)，同時(shí)在使用過程中，固態(tài)直流斷路器中的通態(tài)損耗值也會(huì)上升，最主要的是，IGBT的并聯(lián)結(jié)構(gòu)影響了固態(tài)直流斷路器的開斷性能使固態(tài)斷路器在實(shí)際工程中的適用范圍大大縮小。我們對(duì)固態(tài)直流斷路器的研究一般集中在：串并聯(lián)功率器件的均壓均流、同步觸發(fā)電路設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)通流時(shí)的熱平衡分析、短路分?jǐn)鄷r(shí)功率器件所受熱應(yīng)力分析以及緩沖限壓吸能回路設(shè)計(jì)等。2012年，經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)研究，阿爾斯通公司生產(chǎn)出了電壓高達(dá)120kv、標(biāo)稱電流為1.5kA、短路電流7.5kv為固態(tài)直流斷路器的樣機(jī)。7.5kV。2015年ABB公司研制開發(fā)以反向阻斷型IGCT(reverseBlockIGCT,RB-IGCT)為基礎(chǔ)的1MW雙向式固態(tài)直流斷路器樣品機(jī)器。2017年中船重工研究所彭振東和他的團(tuán)隊(duì)根據(jù)船舶直流電力系統(tǒng)需要的保護(hù)要求設(shè)計(jì)了一種使用大功率IGCT作為主分?jǐn)嚅_關(guān)的1.5kV/4kA新型直流固態(tài)限流斷路器。全固態(tài)直流斷路器和機(jī)械式直流斷路器相比較來說具有動(dòng)作迅速、無弧操作等優(yōu)點(diǎn)，但是由于國(guó)內(nèi)對(duì)全固態(tài)直流斷路器的研究不夠廣泛和全面，只在航空航天和船艦供電等領(lǐng)域有些應(yīng)用，考慮到全固態(tài)直流斷路器需要均壓、均流、冷卻等問題，制約著它在工業(yè)上投入使用。1.2.3混合式直流斷路器混合式直流斷路器(HybridDCCircuitBreaker,HDCCB)由機(jī)械開關(guān)、固態(tài)開關(guān)以及限壓吸能組件組成，由機(jī)械開關(guān)負(fù)責(zé)承擔(dān)正常通流任務(wù)，固態(tài)開關(guān)作為主要分?jǐn)嗖考虼薍DCCB具有機(jī)械開關(guān)狀態(tài)損失小和固態(tài)開關(guān)開斷速度快的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常階段混合式直流斷路器采用閉合的機(jī)械開關(guān)進(jìn)行電流傳遞，減少了斷路器在開狀態(tài)下的損耗。當(dāng)短路故障在系統(tǒng)中出現(xiàn)時(shí)，最先打開的是混合式直流斷路器的機(jī)械開關(guān)，短路電流逐漸轉(zhuǎn)移到由串聯(lián)、并聯(lián)電力電子開關(guān)和它組成的支路，進(jìn)而切斷電流。可以利用電力電子開關(guān)的快速截止速度來減少斷路器的時(shí)間。在最近的幾年時(shí)間里，國(guó)外對(duì)混合直流斷路器進(jìn)行了積極的研究。2012年ABB研制出了320kV/2.6kA/5ms，9kA截止容量的混合直流斷路器是世界上第一個(gè)用于高壓直流環(huán)境的混合直流斷路器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.8所示。2014年AlSTOM研制出了電壓為120kV額定電流7.5kA可5ms切斷短路電流的混合式直流斷路器。反觀我國(guó)對(duì)混合式直流斷路器的研究，開始的時(shí)間比較晚，因此開展研究的時(shí)間也不是很長(zhǎng)。2014年，國(guó)家電網(wǎng)成功構(gòu)建了無弧晶閘管高壓直流斷路器的具體詳細(xì)結(jié)構(gòu)。同年，浙江大學(xué)提出了一種全新的混合直流斷路器的設(shè)計(jì)方案，該方案的固態(tài)開關(guān)部分由全控(IGBT)和半控(SCR)電力電子器件組成。2015年，國(guó)家電網(wǎng)智能研究院研發(fā)出全球首款200kv/12ka/3ms混合直流斷路器。這是我國(guó)研制混合直流斷路器的一個(gè)標(biāo)志。2016年，NARI保護(hù)研發(fā)出全球首款截止時(shí)間小于3ms的500kV/25kA混合直流斷路器，并獲得KEMA認(rèn)證。2017年，北京航空航天大學(xué)研制了一種適用于航空應(yīng)用的270V混合直流斷路器，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2018年，上海電氣集團(tuán)有限公司提出了400V/450A混合式直流斷路器的設(shè)計(jì)方案。綜上，混合式直流斷路器有機(jī)械斷路器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有固態(tài)斷路器的優(yōu)點(diǎn)，并且電力電子器件平時(shí)基本沒有什么損失消耗，只是在故障時(shí)才會(huì)導(dǎo)通，所以并不需要特別龐大的冷卻系統(tǒng)，可以很大程度上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力和可靠運(yùn)行能力，具有很多的優(yōu)點(diǎn)如分?jǐn)鄷r(shí)間很短、可以使用的年限很長(zhǎng)等。因此，本文基于混合式直流斷路器進(jìn)行更具體的研究和分析。1.3論文的主要研究?jī)?nèi)容隨著船舶中壓直流供電的發(fā)展，急切需要直流斷路器向高電壓、大電流方向深入研究。本文的主要研究對(duì)象是新型混合式直流斷路器，并搭建了它的仿真模型，建立了它開斷過程的等效電路進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。根據(jù)仿真和分析結(jié)果，對(duì)新型中壓直流斷路器的相關(guān)問題進(jìn)行了分析和研究。（1）第一章介紹了課題的背景與意義，然后對(duì)國(guó)內(nèi)外直流斷路器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，基于混合式直流斷路器進(jìn)行接下來的研究。（2）第二章介紹了不同類型混合斷路器的原理和特點(diǎn)，重點(diǎn)研究基于真空斷路器器件和功率二極管器件的新型中壓直流混合式斷路器，說明了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其工作原理，同時(shí)也總結(jié)了新型混合式斷路器的主要特點(diǎn)。（3）第三章介紹了新型混合式斷路器具體的結(jié)構(gòu)搭建過程，其中詳細(xì)描述了各個(gè)部分的搭建思路和結(jié)構(gòu)，基于Matlab/simulink軟件平臺(tái)進(jìn)行了新型混合式斷路器仿真模型的搭建。（4）第四章介紹了船舶電力系統(tǒng)概況，建立等效電路對(duì)新型混合式斷路器進(jìn)行了開斷特性的數(shù)學(xué)分析。第2章新型直流混合式斷路器原理及特點(diǎn)2.1混合式直流斷路器2.1.1ZVS型混合型直流斷路器被稱為自然轉(zhuǎn)換器的ZVS，使用由機(jī)械開關(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)開關(guān)支路。當(dāng)電流完全轉(zhuǎn)移到固態(tài)開關(guān)支路時(shí)，電弧熄滅，固態(tài)開關(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2.1所示。圖2.1ZVS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眍愃?，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)分析其自然換流過程，自然換流過程中的等效電路如圖22所示。圖2.2自然換流過程等效電路機(jī)械開關(guān)支路的電感和電阻不作考慮，自然換流過程中的電流轉(zhuǎn)移速率為2.1.2ZCS型混合型直流斷路器零電流型又被稱之為強(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)械開關(guān)先斷開電弧，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)過零點(diǎn)，開斷電流得以實(shí)現(xiàn)，這是由于在這個(gè)過程中，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)械開關(guān)，正因如此我們也把零電流型斷路器稱為電流注入直流斷路器。完成能量耗散過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。其結(jié)構(gòu)和分?jǐn)嘣砣鐖D2.3所示。圖2.3ZCS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)開斷短路電流的上升率沒有限制、分?jǐn)嗄芰?qiáng)，適用于大容量分?jǐn)鄨?chǎng)合，分?jǐn)喑蓴〉年P(guān)鍵是真空開關(guān)在電流迅速過零后要承受系統(tǒng)的暫態(tài)恢復(fù)過電壓而不被擊穿，對(duì)真空滅弧室的高頻開斷能力要求較高。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)用到大容量開斷場(chǎng)景。真空斷流器是否能夠承受電流快速過零后的系統(tǒng)恢復(fù)瞬態(tài)過電壓決定了此過程的成功與失敗，對(duì)真空機(jī)動(dòng)管的高頻分?jǐn)嗄芰σ彩且环N考驗(yàn)。2.1.3ZVS+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2.4所示。短路斷路過程中有兩個(gè)電流傳遞過程。第一次是接觸被打開，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，以便在打開距離時(shí)在強(qiáng)制開關(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被迫斷開連接的反向電流，VD1打開續(xù)流,轉(zhuǎn)移電容和MOV吸收回路的能量。圖2.4ZVS+ZCS型混合型斷路器結(jié)構(gòu)2.2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2.5所示。圖2.5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)。控制單元中最重要的部分是高速數(shù)據(jù)處理裝置，它接收數(shù)據(jù)，根據(jù)Rogowski線圈測(cè)量到的總線電流的有關(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)劃向各模塊開關(guān)發(fā)送控制信號(hào)。2.2.1主開關(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)電流的開斷處理能力是非常強(qiáng)的，SF6斷路器在電流開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)過空氣過濾過程就會(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.[]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2.6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2.6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)斷開前(直接短路相);觸點(diǎn)開啟到電流過零階段(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)開關(guān)目前我們?cè)诠虘B(tài)開關(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門關(guān)斷晶閘管、IGCT開關(guān)集成門晶閘管、IGBT絕緣柵雙極晶體管和功率二極管等。從固態(tài)開關(guān)、可控硅、IGBT等的性能和可控性來看，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，即振蕩開關(guān)電路存在于我們所主要研究的斷路器中，固態(tài)開關(guān)可以鉗住機(jī)械斷路器觸點(diǎn)和開斷電流之間的電壓，而不是僅僅依靠固態(tài)開關(guān)來勉強(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].電氣開關(guān),2001,000(004):9-11.][[]張薇琳,張波,丘東元.電力電子開關(guān)器件仿真模型分析和比較[J].電氣應(yīng)用,2007,26(009):64-67.][[]周志敏.真空斷路器的應(yīng)用與發(fā)展[J].電氣開關(guān),2001,000(004):9-11.[]張薇琳,張波,丘東元.電力電子開關(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,1994:1059-10耗能限壓裝置在本文中，一個(gè)非線性電阻并聯(lián)在主開關(guān)模塊的兩端，以吸收儲(chǔ)存在線路電感中的能量，將兩端的電壓限制在標(biāo)稱電壓以下。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。2.2.3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)方法來說具有工作狀態(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線圈是用來測(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,沒有電氣連接的線測(cè)試,對(duì)測(cè)試線影響小，不消耗功率。2.2.4換流電容充電方式有兩種方式可以用來給開關(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2.7所示;使用系統(tǒng)電壓給電容充電，如圖2.8所示。圖2.7外部電源充電電路圖2.8系統(tǒng)電源充電電路當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開關(guān)S1、S3閉合，充電電路母線向電容C經(jīng)電阻R充電，使它的電壓值達(dá)到母線電壓值。當(dāng)斷路器即將工作時(shí)，斷開S3開關(guān)，閉合開關(guān)電路。一次動(dòng)作結(jié)束后后,S3又一次關(guān)閉,為接下來的工作做好準(zhǔn)備。2.3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)開關(guān)組成它的重要部分主開關(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)斷路器部分為開斷斷路器的動(dòng)態(tài)開關(guān)。由于固態(tài)開關(guān)只在關(guān)閉時(shí)才開啟，正常情況下幾乎沒有損耗，大大增加了固態(tài)開關(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)開關(guān)作用時(shí)不能被控制斷開。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)一般位于主開關(guān)模板上，且與主開關(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)象稱為開斷失敗，為了避免這種情況的發(fā)生，我們?cè)谥鏖_關(guān)模塊中，加設(shè)QS2，它一般與主開關(guān)串聯(lián)連接，通過增加線路的斷口數(shù)量的方式，來降低開斷失敗現(xiàn)象的概率。這種串聯(lián)連接的主開關(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)稱電壓增大到某一特定值時(shí)，將兩個(gè)或多個(gè)斷路器串聯(lián)連接的方法可以輕松處理真空斷路器的耐壓?jiǎn)栴}。兩臺(tái)斷路器斷開時(shí)會(huì)形成分裂電壓，分裂電壓的數(shù)值與電路電壓存在著一定的關(guān)系，前者為后者的二分之一。混合斷路器的工作時(shí)間影響了電流的開斷時(shí)效，這個(gè)過程一般控制在幾毫秒之內(nèi)。如果我們使用的兩臺(tái)斷路器具有非常接近的電流關(guān)斷固有時(shí)間，那么我們就可以讓QS1和QS2盡量同時(shí)導(dǎo)通，QS1和QS2導(dǎo)通的時(shí)間越接近越好，完全同時(shí)的導(dǎo)通是我們追求的理想情況。為了達(dá)到這一理想情況，我們通常將真空斷路器的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一如型號(hào)、機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間。第3章新型直流混合式斷路器開斷過程分析通過我們對(duì)上文的分析，了解了真空斷路器的構(gòu)成方案，為了進(jìn)一步驗(yàn)證根新型混合式直流斷路器的開斷性能，基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的仿真，使用R2018b版本的軟件。通過Simulink我們可以使用現(xiàn)有的庫(kù)模塊按照理論邏輯結(jié)合我們所要完成的功能，進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)搭建，近一步我們對(duì)初步的結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，使它變成一個(gè)完整的合理的仿真系統(tǒng)，接下來為保證仿真模型運(yùn)行的準(zhǔn)確性，我們需要進(jìn)行一定的測(cè)試工作來保證仿真系統(tǒng)可以穩(wěn)定的進(jìn)行工作。同時(shí)在MATLAB中搭建其他元件的仿真模型。3.1新型直流混合式斷路器的開斷過程本文分析的新型直流混合斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.1所示。主開關(guān)模塊由真空斷路器QS1、QS2和功率二極管組成。振蕩開關(guān)回路包括電感L1、二極管D1和電容C1。其中TVS真空觸發(fā)開關(guān)、晶閘管T1和Rc構(gòu)成系統(tǒng)的充電電路，MOV壓敏電阻以氧化鋅為材料構(gòu)成功耗限壓裝置，及其相應(yīng)的控制單元和故障檢測(cè)。圖3.1新型直流混合式斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.3.1故障電流分?jǐn)噙^程斷路器進(jìn)行電路開斷的主要機(jī)制是在短路故障發(fā)生時(shí)，使產(chǎn)生振蕩換流電路，通過它對(duì)電流進(jìn)行過零變換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的開斷。具體作用機(jī)理如下:(1)正常運(yùn)行過程中，QS1和QS2被打開并支持負(fù)載電流。此時(shí)，C1通過T1和Rc總線充電，電壓會(huì)經(jīng)歷一個(gè)上升的過程，在一定的時(shí)間后將達(dá)到總線電壓值。當(dāng)電容結(jié)束充電后，T1的電流將會(huì)逐漸下降，當(dāng)電流值到達(dá)零時(shí)，就會(huì)自然關(guān)斷;(2)當(dāng)系統(tǒng)短路發(fā)生，檢測(cè)單元發(fā)現(xiàn)時(shí)，接收到關(guān)斷信號(hào)的QS1和QS2打開，QS1斷開過程中產(chǎn)生的電弧電壓使二極管D2導(dǎo)電，QS1中的電流開始向D2轉(zhuǎn)移;(3)當(dāng)QS1中的電流過零時(shí)，TVS被激活，因此開關(guān)電路被接通。高頻振蕩電路在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)產(chǎn)生震蕩電流來讓系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài)，高頻振蕩電路一般是由L1、C1、D1和TVS集成，使D2、QS2電流不得不立刻降至零;(4)當(dāng)電容器電壓值是和MOV變阻器動(dòng)作電壓一樣,MOV打開和吸收的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中限制過電壓,ic的電流轉(zhuǎn)移到MOV,TVS自然關(guān)斷ic過零;(5)在這個(gè)過程中，主開關(guān)兩端的電壓會(huì)不斷下降，這是因?yàn)橄到y(tǒng)中的其它器件消耗了大量的能量，同時(shí)主開關(guān)兩端的電壓也在不斷下降。此時(shí)MOV的截止將導(dǎo)致電流隨之減小，擊穿階段結(jié)束的標(biāo)志是電流為零。3.3.2小電流分?jǐn)噙^程小電流分段過程中，由于分?jǐn)嚯娏骱苄?，所以不需要?qiáng)制開關(guān)回路的使用，我們可以直接利用主開關(guān)對(duì)小電流進(jìn)行開斷，這一過程開斷迅速，安全可靠。3.2新型直流混合式斷路器開斷過程的數(shù)學(xué)分析根據(jù)艦船直流供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，創(chuàng)建新型混合式斷路器在艦船直流供電系統(tǒng)中開通關(guān)斷的整個(gè)經(jīng)過的數(shù)學(xué)模型。將負(fù)載當(dāng)做作用相同的電阻與電感的串聯(lián)來簡(jiǎn)化計(jì)算的過程，同時(shí)假設(shè)混合式斷路器中除真空開關(guān)與二極管外各元件均為理想器件，系統(tǒng)電壓為恒定值。圖3.2系統(tǒng)正常工作時(shí)等效電路系統(tǒng)正常運(yùn)行階段(t≤t0)如圖3.2所示，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，QS1、QS2導(dǎo)通，電容C1的電壓為反向電壓Uc0，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流為：(4-1)短路電流上升階段(t0<t≤t2)圖3.3系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)等效電路在t=t0時(shí)刻系統(tǒng)短路故障產(chǎn)生，如圖3.3所示為其等效電路，穩(wěn)態(tài)短路電流預(yù)期值為(4-2)短路時(shí)間常數(shù)(4-3）電路短路方程(4-4)(4-5)(4-6)短路電流值與預(yù)設(shè)動(dòng)作值Set1相等時(shí)，QS1,QS2接收到檢測(cè)單元產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作。QS1，QS2在t1時(shí)刻觸頭打開，QS1兩端產(chǎn)生的電弧電壓使得二極管D2導(dǎo)通，QS1上的電流轉(zhuǎn)移至二極管D2。在Δt時(shí)間內(nèi)換流過程如圖3.4（a），該過程等效電路如圖3.4（b）所示。電弧電壓用效果相同的恒壓源Ua替代，二極管D2的通態(tài)壓降用恒壓源U2等效。Ra為QS1支路的電阻，La為QS1支路的電感，R2為二極管支路的電阻和L2為二極管支路的電感。（a）換流過程（b）等效電路圖3.4電流從QS1換流至D2過程及其等效電路直流電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障的時(shí)間常數(shù)一般為幾ms至幾十ms，真空開關(guān)QS1做出動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)間非常短，僅幾百微秒就能實(shí)現(xiàn)電流上升過程轉(zhuǎn)換到換流過程的整個(gè)過程，所以如果假設(shè)在短路故障階段中的主回路電流上升率di/dt為一個(gè)確定的值D，可得換流過程的微分方程組為：(4-7)對(duì)微分方程組計(jì)算可以得到十分繁瑣的電流i1和電流i2的表達(dá)式為：(4-8)式中：(4-9)由于方程組（4-7）中線路電阻Ra的壓降和線路電阻R2的壓降特別小，與方程中另外2項(xiàng)計(jì)算式相比顯得微乎其微可以不計(jì)算到里面，所以式（4-7）可簡(jiǎn)化為：(4-10)(4-11)QS1在換流過程結(jié)束后斷開，等效電路如下圖3.5所示，換流時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)，使得此時(shí)短路電流仍處于之前的上升階段。圖3.5QS1斷開后系統(tǒng)等效電路振蕩換流回路投入（t2<t≤t3）當(dāng)t=t2時(shí)，真空觸發(fā)開關(guān)TVS接收到導(dǎo)通信號(hào)，振蕩換流回路投入。二極管兩端的管壓降在分析中忽略，振蕩換流回路的線路電阻值為R。在二極管還未截止前，換流回路電路投入時(shí)的等效電路圖如下圖3.6所示。圖3.6振蕩換流回路投入后等效電路在這一過程中的換流回路電路方程式為：(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)同時(shí)，承受反向電壓的D2二極管兩端的作用啟動(dòng)了關(guān)閉過程，如圖3.7所示。圖3.7二極管D2關(guān)斷過程示意圖QS2電流出現(xiàn)過零點(diǎn)（t3<t≤t4）在t=t3時(shí)刻，真空斷路器中電流出現(xiàn)過零點(diǎn)，熄滅電弧，主回路電流改變方向流入換流回路，換流電容的剩余電壓Uresidual=uc(t3)，換流回路的電流等于主回路電流Iresidual=ic(t3)，等效電路如圖3.8所示。圖3.8真空開關(guān)QS2斷開后等效電路等效電路方程式如下：(4-16)(4-17)(4-19)耗能限壓回路的投入(t>t4)t4時(shí)刻，QS2兩端的電壓值上升，當(dāng)該值與壓敏電阻MOV的動(dòng)作電壓Up相等時(shí)，MOV接收到信號(hào)開始導(dǎo)通，電流快速轉(zhuǎn)移到MOV，如圖3.9所示為等效的電路圖。t5時(shí)刻，二極管D1電流減小為零，二極管D1關(guān)斷，MOV串聯(lián)介入電路工作，電流全部流入MOV，儲(chǔ)存在系統(tǒng)的電能被完全吸收后，系統(tǒng)電流為零。設(shè)裝置有理想情況下的伏安特性，開通后電壓為Up不變，Ugate=uc(t4)，Igate=ic(t4),最后在t6時(shí)回路電流變?yōu)榱悖暾拈_斷電流過程結(jié)束。其電路方程如下：(4-20)(4-21)(4-22)(4-23)(4-24)（a）D1電流下降階段等效電路（b）D1截止?fàn)顟B(tài)后等效電路圖3.9耗能限壓回路投入等效電路由上述分析計(jì)算可知，若確定U0,I0,0,Ip等系統(tǒng)參數(shù)，能夠影響到電流轉(zhuǎn)移和電流導(dǎo)通斷開過程的因素為換流回路中元件參數(shù)。第4章新型直流混合式斷路器開斷仿真分析應(yīng)用上述模型計(jì)算進(jìn)行斷路器額定短路電流開斷的仿真?；旌鲜街绷鲾嗦菲鞴收想娏鞯慕油ê蛿嚅_的物理現(xiàn)象變化過程是很繁瑣的，其性能、體積及成本與斷路器各模塊的參數(shù)有密切關(guān)系。本著方便分析的原則，本文以艦船直流電力系統(tǒng)為例，以艦船簡(jiǎn)化的中壓直流系統(tǒng)為應(yīng)用環(huán)境，通過分析開斷過程中新型直流式混合式斷路器在不同時(shí)間段的等效電路和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行開斷特性研究。4.1艦船直流供電系統(tǒng)概況艦船上的直流電源大多數(shù)由兩部分構(gòu)成，一部分是蓄電池，另一部分是其充放電裝置。分配電能的方式主要有3種，一種是直流雙線絕緣系統(tǒng)，一種是負(fù)極接地雙線系統(tǒng)還有一種是以船體作為負(fù)極回路的單線系統(tǒng)，如圖4.1所示。[[][]胡俊,余峰,李加剛,等.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)建模與仿真研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2019,No.154(08):223-225.圖4.1艦船直流配電系統(tǒng)由此可知，當(dāng)一條直流供電線路只能由一個(gè)斷路器來進(jìn)行保護(hù)時(shí)，就都可以等效成如圖4.2所示的回路。電機(jī)、照明、通信等負(fù)荷是感性負(fù)載。圖4.2艦船直流系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖4.2新型混合式直流斷路器仿真模型搭建4.2.1真空斷路器真空電弧的燃弧機(jī)理認(rèn)為一般有三種：燃弧由介質(zhì)絕緣擊穿引起（擊穿燃?。?；外部高壓脈沖觸發(fā)而引起的燃?。ㄓ|發(fā)燃弧）和觸頭執(zhí)行分閘操作時(shí)液態(tài)金屬電橋產(chǎn)生的電?。ㄩ_關(guān)分閘燃弧）。依照真空斷路器開斷電流的實(shí)際過程中所經(jīng)過的每一個(gè)階段，利用Breaker模塊代替真空斷路器的模型如圖4.3所示，Breaker模塊斷開即斷路器觸頭斷開。圖4.3真空斷路器模型4.2.2功率二極管二極管是具有單向?qū)щ娦缘膬啥嗽O(shè)備，其核心部分是PN結(jié)，在PN結(jié)的兩端添加電極引線然后在外面封裝外殼即可制作出二極管。二極管的結(jié)構(gòu)如圖4.4所示。圖4.4二極管的結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中二極管的種類繁多，功能也是越來越全面，功率二極管是功能強(qiáng)大的一種二極管，其可用于整流、箝位和自由旋轉(zhuǎn)電路。除了高頻電路中使用的功率二極管的功耗和反向阻塞外，瞬態(tài)特性對(duì)電路的影響也不能忽略，需要一定的時(shí)間來開啟和關(guān)閉功率二極管。如果二極管偏置電壓的極性從前到后改變，二極管不能立即關(guān)閉。這需要很短的時(shí)間得到相反方向的阻止功能和熄滅。關(guān)斷前存在很大的反向電流，并且反向電壓過沖很大[]PANGYanqing,龐延慶,FANDeping,等.大功率晶閘管暫態(tài)過程分析及吸收回路的研究[C]//電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì),2016.[]PANGYanqing,龐延慶,FANDeping,等.大功率晶閘管暫態(tài)過程分析及吸收回路的研究[C]//電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì),2016.圖4.5二極管4.2.3其他元器件使用MATLAB/Simulink軟件搭建其他部件的仿真模型。振蕩開關(guān)回路RLC串聯(lián)模塊用于振蕩開關(guān)回路中，將電容電壓設(shè)置為預(yù)充電電壓值，二極管選用理想器件。SWITCH模塊取代TVS真空觸發(fā)空間，其封裝模型如圖4.6所示；圖4.6TVS的仿真模型SurgeArrester模塊代替壓敏電阻，其封裝模型如圖4.7所示。圖4.7壓敏電阻的仿真模型STEP模塊負(fù)責(zé)信號(hào)發(fā)送工作，系統(tǒng)接收到它產(chǎn)生的信號(hào)之后會(huì)對(duì)開關(guān)的動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行處理，并且能完成間隙的觸發(fā)。我們通常用恒壓源模塊來產(chǎn)生直流系統(tǒng)的電源電壓，該仿真過程中需要進(jìn)行短路故障模擬，我們使用理想開關(guān)模塊和負(fù)載并聯(lián)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)該功能。如圖4.8所示，搭建新型混合式直流斷路器的仿真模型時(shí)，我們根據(jù)每個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)的功能和我們想要得到的仿真結(jié)果對(duì)仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[]YuanXF,ChengSJ.[IEEE2005/2006PESTD-Dallas,TX,USA(May21-24,2006)]2005/2006PESTD-SimulationStudyforaHybridMulti-terminalHVDCSystem[J].2006:720-725.[]YuanXF,ChengSJ.[IE