新型真空直流限流斷路器設計及其介質恢復特性

新型真空直流限流斷路器設計及其介質恢復特性針對傳統(tǒng)強迫換流型斷路器在關斷高上升率短路電流時遇到的問題，本文提出了在高速真空開關兩端反向并聯(lián)續(xù)流二極管，并在小間隙下開斷短路電流的改良方案。通過反向續(xù)流二極管的續(xù)流作用，使真空開關在電弧電流強迫過零后得到零電壓介質恢復時間，提高了真空滅弧

室的介質恢復能力，使其能夠在小開距時關斷高上升率短路電流。開展了新型強迫換流型限流斷路器工作原理的仿真分析和高速電磁斥力機構、脈沖關斷電路的設計。針對新型真空直流限流斷路器關斷短路電流的特殊過程，設計了與其等效的介質恢復試驗，對方案可行性開展驗證。設計了1kV/400A限流斷路器樣機并開展短路關斷試驗，該斷路器可將初始上升率為5A/s的故障電流限流至2.5kA以下。真空技術網(wǎng)(http:///)認為試驗結果證明所提出方案有效、可行。

1、引言

直流電力系統(tǒng)與交流電力系統(tǒng)相比，具有損耗低、并網(wǎng)方便等優(yōu)點，現(xiàn)今在美國、日本、德國等發(fā)達國家已逐漸采用直流輸配電系統(tǒng)。另外，現(xiàn)代艦船、地鐵等獨立電力系統(tǒng)也越來越多地采用直流電力系統(tǒng)。為了限制不斷增大的短路電流，保護用電設備的安全，亟需研制限流能力更強、可靠性更高的直流限流斷路器。傳統(tǒng)機械式直流斷路器由于存在電弧的燒蝕作用，電氣壽命較短、限流效果差，而由功率半導體器件組成的固態(tài)開關由于通態(tài)損耗過大、價格過高也難以推廣應用。

基于真空滅弧室強迫換流關斷原理的真空直流限流斷路器具有通態(tài)損耗小、分斷能力強、觸頭燒損小、電氣壽命長等優(yōu)點，是近年來直流斷路器的一個新的發(fā)展方向。強迫換流型真空直流限流斷路器通常由高速真空開關、脈沖強迫關斷回路、能量吸收回路并聯(lián)組成。正常工作時，主回路電流從真空開關流過，當需要分斷時，真空開關首先打開至額定開距，之后脈沖強迫關斷回路發(fā)出一個與主回路電流方向相反的反向關斷脈沖電流，迫使真空開關中的電流迅速減小過零，電流一旦過零，電弧便很快被熄滅，由于真空滅弧室在電流過零點具有極強的介質強度恢復能力，電弧不再重燃。電路切斷后回路剩余能量由能量吸收回路吸收，并限制關斷過程產生的過電壓。

但是采用強迫關斷原理的真空直流斷路器由于真空開關在電流強迫過零時存在反向恢復電壓，因此需要將真空開關打開至額定開距后再發(fā)出反向關斷電流，確保真空開關能夠承受電流過零瞬間恢復電壓的沖擊而不重燃。但是由于機械觸頭運動速度的限制，要形成大開距需要的觸頭運動時間也較長，這會使電路關斷時機后移，影響斷路器的限流性能，在故障電流上升率過大時，甚至可能導致無法成功關斷。如文獻要求電路關斷時真空開關必須到達8mm觸頭開距，假設觸頭運動速度為2m/s，則所需時間約4ms，若短路電流上升率為5A/μs，則關斷時故障電流已達20kA以上，這將使斷路器失去限流能力，而且過大的故障電流對脈沖關斷回路及能量吸收回路均會形成巨大壓力，最終使整機體積過大而不具經(jīng)濟性和實用性。

為此本文提出一種在傳統(tǒng)強迫換流型斷路器的真空開關兩端并聯(lián)反向的續(xù)流二極管的改良方案，通過這一改良使真空開關在電流過零后得到零電壓的介質強度恢復過程，使得高速真空開關得以在小開距下關斷高上升率短路電流，大大提高了斷路器的限流和分斷能力。

2、新型強迫換流型真空直流限流斷路器

圖1所示為新型強迫換流型限流斷路器原理圖及直流系統(tǒng)的等效電路，其中Es為直流電源，Rc和Lc為線路電阻和電感，RL和LL則分別為負載電阻和負載電感。虛線框中所示為新型強迫換流型限流斷路器，與傳統(tǒng)方案相比，該改良方案在高速真空開關VB兩端并聯(lián)了反向的續(xù)流二極管VD，這樣當反向脈沖電流迫使真空開關的電弧熄滅后，二極管VD導通，主回路電流與反向關斷電流轉移至續(xù)流二極管，此時真空開關兩端電壓為零，直至反向關斷電流再次等于主回路電流時，二極管反向截止，主回路對電容C反向充電，真空開關兩端開始出現(xiàn)恢復電壓。

圖1新型強迫換流型限流斷路器

圖2所示為本文設計的額定1kV/400A新型強迫換流型限流斷路器短路關斷的仿真結果，下面結合圖2對斷路器關斷過程開展詳細說明。短路發(fā)生后主回路電流以5A/s的速度快速上升，當主回路電流大于1.2kA時控制器給高速真空開關發(fā)出動作信號，經(jīng)過一定的機械延時后高速真空開關在t0=292s時動靜觸頭分離，t1=317s時關斷電路發(fā)出關斷電流，此時真空滅弧室電弧電流到達最大值1.78kA。隨著關斷電流的上升，真空滅弧室電流不斷下降并在t2=380s時下降到零，真空電弧熄滅。t2時刻開始，續(xù)流二極管導通，真空滅弧室處于零電壓的介質恢復階段，直至t3=422s時二極管截止，主回路電流轉移至關斷回路，零電壓恢復階段結束，

二極管電流峰值405A，零電壓時間tr=t3，t2=42s。t3時刻以后主回路電流向關斷電容充電，此時斷路器兩端電壓等于關斷電容電壓，隨充電過程電壓不斷提高，并在t4=475s時刻電壓到達壓敏電壓動作的閾值，壓敏電阻開始導通。壓敏電阻起作用后，關斷回路電流向壓敏電阻支路轉移，t5=530s時關斷回路電流完全轉移至壓敏電阻支路，關斷電容充電電壓及斷路器兩端電壓到達最大值2kV。

圖2真空直流限流斷路器短路關斷仿真結果

為了保證斷路器的高限流能力及分斷的可靠性，限流斷路器對各部件提出以下幾點要求：

(1)高速真空開關應具備高響應速度，能夠在接到動作信號后的幾百微秒內使觸頭分離，同時應具備高初始分離速度，在恢復電壓出現(xiàn)時形成盡量大的觸頭開距。

(2)由強迫關斷電路發(fā)出的流經(jīng)高速真空開關的反向關斷電流峰值應大于主回路電流，保證真空電弧電流過零熄滅。

(3)反并續(xù)流二極管的導通期間所形成的零電壓恢復時間內，真空介質應恢復至足夠的絕緣強度，以承受關斷過電壓的沖擊而不發(fā)生重燃。文章接下來將針對以上三個條件展開新型強迫換流型限流斷路器的設計和分析。

7、結論

本文針對傳統(tǒng)強迫換流型斷路器在關斷高上升率短路電流時面臨的困難，提出了在高速真空開關兩端反向并聯(lián)續(xù)流二極管，并在小間隙下開斷短路電流的改良方案。對改良方案開展分析和設計，得到了以下結論：

(1)通過在真空開關兩端反向并聯(lián)續(xù)流二極管，可使真空開關電弧電流過零后獲得零電壓介質恢復時間，有利于真空介質強度恢復和電流的成功關斷。

(2)針對限流斷路器對真空開關高響應速度和高初始分離速度的要求，設計了基于電磁斥力原理的高速真空開關，機械延時為75s，觸頭100s后的運動速度可達2m