新型真空直流限流斷路器設計及其介質(zhì)恢復特性
針對傳統強迫換流型斷路器在關(guān)斷高上升率短路電流時(shí)遇到的問(wèn)題，本文提出了在高速真空開(kāi)關(guān)兩端反向并聯(lián)續流二極管，并在小間隙下開(kāi)斷短路電流的改進(jìn)方案。通過(guò)反向續流二極管的續流作用，使真空開(kāi)關(guān)在電弧電流強迫過(guò)零后得到零電壓介質(zhì)恢復時(shí)間，提高了真空滅弧
室的介質(zhì)恢復能力，使其能夠在小開(kāi)距時(shí)關(guān)斷高上升率短路電流。開(kāi)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(guān)斷電路的設計。針對新型真空直流限流斷路器關(guān)斷短路電流的特殊過(guò)程，設計了與其等效的介質(zhì)恢復試驗，對方案可行性進(jìn)行驗證。設計了1kV/400A 限流斷路器樣機并進(jìn)行短路關(guān)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(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為試驗結果證明所提出方案有效、可行。
1、引言
直流電力系統與交流電力系統相比，具有損耗低、并網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，現今在美國、日本、德國等發(fā)達國家已逐漸采用直流輸配電系統。另外，現代艦船、地鐵等獨立電力系統也越來(lái)越多地采用直流電力系統。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(kāi)關(guān)由于通態(tài)損耗過(guò)大、價(jià)格過(guò)高也難以推廣應用。
基于真空滅弧室強迫換流關(guān)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(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)直流斷路器的一個(gè)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(kāi)關(guān)、脈沖強迫關(guān)斷回路、能量吸收回路并聯(lián)組成。正常工作時(shí)，主回路電流從真空開(kāi)關(guān)流過(guò)，當需要分斷時(shí)，真空開(kāi)關(guān)首先打開(kāi)至額定開(kāi)距，之后脈沖強迫關(guān)斷回路發(fā)出一個(gè)與主回路電流方向相反的反向關(guān)斷脈沖電流，迫使真空開(kāi)關(guān)中的電流迅速減小過(guò)零，電流一旦過(guò)零，電弧便很快被熄滅，由于真空滅弧室在電流過(guò)零點(diǎn)具有極強的介質(zhì)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(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)電壓。
但是采用強迫關(guān)斷原理的真空直流斷路器由于真空開(kāi)關(guān)在電流強迫過(guò)零時(shí)存在反向恢復電壓，因此需要將真空開(kāi)關(guān)打開(kāi)至額定開(kāi)距后再發(fā)出反向關(guān)斷電流，確保真空開(kāi)關(guān)能夠承受電流過(guò)零瞬間恢復電壓的沖擊而不重燃。但是由于機械觸頭運動(dòng)速度的限制，要形成大開(kāi)距需要的觸頭運動(dòng)時(shí)間也較長(cháng)，這會(huì )使電路關(guān)斷時(shí)機后移，影響斷路器的限流性能，在故障電流上升率過(guò)大時(shí)，甚至可能導致無(wú)法成功關(guān)斷。如文獻要求電路關(guān)斷時(shí)真空開(kāi)關(guān)必須達到8mm 觸頭開(kāi)距，假設觸頭運動(dòng)速度為2m/s，則所需時(shí)間約4ms，若短路電流上升率為5A/μs，則關(guān)斷時(shí)故障電流已達20kA 以上，這將使斷路器失去限流能力，而且過(guò)大的故障電流對脈沖關(guān)斷回路及能量吸收回路均會(huì )形成巨大壓力，最終使整機體積過(guò)大而不具經(jīng)濟性和實(shí)用性。
為此本文提出一種在傳統強迫換流型斷路器的真空開(kāi)關(guān)兩端并聯(lián)反向的續流二極管的改進(jìn)方案，通過(guò)這一改進(jìn)使真空開(kāi)關(guān)在電流過(guò)零后得到零電壓的介質(zhì)強度恢復過(guò)程，使得高速真空開(kāi)關(guān)得以在小開(kāi)距下關(guān)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的等效電路，其中Es 為直流電源，Rc和Lc 為線(xiàn)路電阻和電感，RL 和LL 則分別為負載電阻和負載電感。虛線(xiàn)框中所示為新型強迫換流型限流斷路器，與傳統方案相比，該改進(jìn)方案在高速真空開(kāi)關(guān)VB 兩端并聯(lián)了反向的續流二極管VD，這樣當反向脈沖電流迫使真空開(kāi)關(guān)的電弧熄滅后，二極管VD 導通，主回路電流與反向關(guān)斷電流轉移至續流二極管，此時(shí)真空開(kāi)關(guān)兩端電壓為零，直至反向關(guān)斷電流再次等于主回路電流時(shí)，二極管反向截止，主回路對電容C 反向充電，真空開(kāi)關(guān)兩端開(kāi)始出現恢復電壓。
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(guān)斷的仿真結果，下面結合圖2 對斷路器關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行詳細說(shuō)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(shí)控制器給高速真空開(kāi)關(guān)發(fā)出動(dòng)作信號，經(jīng)過(guò)一定的機械延時(shí)后高速真空開(kāi)關(guān)在t0=292s 時(shí)動(dòng)靜觸頭分離，t1=317s 時(shí)關(guān)斷電路發(fā)出關(guān)斷電流，此時(shí)真空滅弧室電弧電流達到最大值1.78kA。隨著(zhù)關(guān)斷電流的上升，真空滅弧室電流不斷下降并在t2=380s 時(shí)下降到零，真空電弧熄滅。t2 時(shí)刻開(kāi)始，續流二極管導通，真空滅弧室處于零電壓的介質(zhì)恢復階段，直至t3=422s 時(shí)二極管截止，主回路電流轉移至關(guān)斷回路，零電壓恢復階段結束，
二極管電流峰值405A，零電壓時(shí)間tr=t3，t2=42s。t3 時(shí)刻以后主回路電流向關(guān)斷電容充電，此時(shí)斷路器兩端電壓等于關(guān)斷電容電壓，隨充電過(guò)程電壓不斷提高，并在t4=475s 時(shí)刻電壓達到壓敏電壓動(dòng)作的閾值，壓敏電阻開(kāi)始導通。壓敏電阻起作用后，關(guān)斷回路電流向壓敏電阻支路轉移，t5=530s 時(shí)關(guān)斷回路電流完全轉移至壓敏電阻支路，關(guān)斷電容充電電壓及斷路器兩端電壓達到最大值2kV。
圖2 真空直流限流斷路器短路關(guān)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(diǎn)要求：
(1)高速真空開(kāi)關(guān)應具備高響應速度，能夠在接到動(dòng)作信號后的幾百微秒內使觸頭分離，同時(shí)應具備高初始分離速度，在恢復電壓出現時(shí)形成盡量大的觸頭開(kāi)距。
(2)由強迫關(guān)斷電路發(fā)出的流經(jīng)高速真空開(kāi)關(guān)的反向關(guān)斷電流峰值應大于主回路電流，保證真空電弧電流過(guò)零熄滅。
(3)反并續流二極管的導通期間所形成的零電壓恢復時(shí)間內，真空介質(zhì)應恢復至足夠的絕緣強度，以承受關(guān)斷過(guò)電壓的沖擊而不發(fā)生重燃。文章接下來(lái)將針對以上三個(gè)條件展開(kāi)新型強迫換流型限流斷路器的設計和分析。
7、結論
本文針對傳統強迫換流型斷路器在關(guān)斷高上升率短路電流時(shí)面臨的困難，提出了在高速真空開(kāi)關(guān)兩端反向并聯(lián)續流二極管，并在小間隙下開(kāi)斷短路電流的改進(jìn)方案。對改進(jìn)方案進(jìn)行分析和設計，得到了以下結論：
(1)通過(guò)在真空開(kāi)關(guān)兩端反向并聯(lián)續流二極管，可使真空開(kāi)關(guān)電弧電流過(guò)零后獲得零電壓介質(zhì)恢復時(shí)間，有利于真空介質(zhì)強度恢復和電流的成功關(guān)斷。
(2)針對限流斷路器對真空開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)，機械延時(shí)為75s，觸頭100s 后的運動(dòng)速度可達2m/s。
(3)設計了等效介質(zhì)恢復試驗，試驗結果表明經(jīng)過(guò)50s 的零電壓介質(zhì)恢復后，真空開(kāi)關(guān)可承受2kV 的關(guān)斷過(guò)電壓沖擊，介質(zhì)強度恢復速度約40V/s。
進(jìn)行了短路電流上升率為5.5A/s 的短路關(guān)斷試驗，試驗結果與仿真分析結果一致，說(shuō)明分析正確，方案有效、可行。
