雙向非一致混合型真空直流斷路器的分析與設計
針對現代艦船直流電力系統交流整流發(fā)電機保護面臨的斷路器發(fā)電機側短路時(shí)需瞬時(shí)分斷高上升率短路電流，以及斷路器電網(wǎng)側短路時(shí)需短延時(shí)后分斷短路電流的要求不同這一問(wèn)題，提出了一種雙向非一致混合型真空直流斷路器的拓撲結構。采用強迫換流關(guān)斷原理關(guān)斷發(fā)電機側短路時(shí)高上升率的短路電流，采用自然換流關(guān)斷原理實(shí)現電網(wǎng)側短路時(shí)短延時(shí)保護以及正常工作電流的分斷。對斷路器關(guān)斷的3個(gè)換流過(guò)程進(jìn)行分析，得到了該拓撲結構的最佳連接形式，該連接形式下正、反向關(guān)斷電流的利用率分別為100%和83%。設計了1kV/2.5kA 斷路器樣機，并進(jìn)行了正、反向關(guān)斷試驗，實(shí)現了正向8kA 的自然換流關(guān)斷和反向初始上升率為20A/s 的短路電流強迫換流關(guān)斷。試驗結果表明，所提出方案是有效、可行的，所做的分析準確、可信。
引言
現代艦船直流電力系統中電源主要由多相交流發(fā)電機整流而成，并通過(guò)固態(tài)逆變器向負載供電，如圖1 所示。這種系統的特點(diǎn)是線(xiàn)路阻抗小、短路時(shí)間常數小、供電連續性要求高。當系統發(fā)電機側發(fā)生短路故障(f2)時(shí)，要求發(fā)電機保護斷路器瞬時(shí)動(dòng)作，而當電網(wǎng)側短路(f1 或f3)時(shí)，發(fā)電機保護斷路器應先耐受發(fā)電機短路電流的沖擊，之后再根據需要分斷發(fā)電機短路電流。發(fā)電機保護開(kāi)關(guān)的這種保護要求與傳統艦船電力系統保護要求相比，內部短路時(shí)關(guān)斷的電流上升率更高、整定時(shí)間更短，而外部短路時(shí)需耐受大峰值的短路電流后再延時(shí)關(guān)斷大電流，具備相應功能和關(guān)斷能力的斷路器的研制難度顯著(zhù)增加。
圖1 現代艦船直流電力系統示意圖
近年來(lái)，一種將機械開(kāi)關(guān)和固態(tài)開(kāi)關(guān)相結合的混合型斷路器由于在關(guān)斷直流電流時(shí)表現出優(yōu)異的性能，而得到迅速發(fā)展。按照關(guān)斷原理，混合型斷路器可分為自然換流型和強迫換流型兩種。自然換流型斷路器結構簡(jiǎn)單、控制方便，但是這種關(guān)斷方案受電弧電壓和支路電感的影響，換流速度慢，當關(guān)斷電流的上升率較大時(shí)難以滿(mǎn)足限流和快速性要求，一般應用于無(wú)限流要求的場(chǎng)合，如瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院研制的1500V/4kA 混合型直流斷路器和荷蘭Delft 大學(xué)設計的600V/6kA 合型直流開(kāi)關(guān)。強迫換流型斷路器可以實(shí)現高電流變化率的換流，不需考慮換流支路電感的影響，設計上自由度較大，但由于強迫換流型斷路器需要額外的反向脈沖電流支路及相應的充電電路，其體積大、結構復雜。其次，采用強迫換流的方案，對機械觸頭在電流過(guò)零點(diǎn)的介質(zhì)恢復能力要求高，需要機械觸頭有較快的響應速度和初始分閘速度。
目前，強迫換流型斷路器能夠關(guān)斷短路電流的最大上升率多數在10A/s 以下，如大連理工大學(xué)研制的額定1500V/4000A 直流斷路器關(guān)斷的短路電流上升率為3A/s，西安交通大學(xué)研制的強迫換流型斷路器關(guān)斷短路電流的上升率約為8A/s。在已有文獻中能夠實(shí)現約20A/s 短路電流關(guān)斷的只有海軍工程大學(xué)研制應用于艦船低壓直流電力系統的基于空氣高速觸頭機構的單向混合式直流限流斷路器；但該斷路器采用空氣式高速觸頭機構，額定電壓只有320V，且該斷路只進(jìn)行單向短路分斷。當其用于發(fā)電機保護開(kāi)關(guān)進(jìn)行雙向關(guān)斷時(shí)，必須兼顧兩個(gè)方向的關(guān)斷電流要求，所需關(guān)斷電流的峰值將成倍提高，使斷路器設計和實(shí)現的難度顯著(zhù)增加。
本文針對現代艦船直流電力系統整流發(fā)電機保護所面臨的問(wèn)題，將自然換流關(guān)斷和強迫換流關(guān)斷有機結合在一起，提出一種雙向非一致混合型真空直流斷路器結構方案。在發(fā)電機側短路時(shí)采用強迫換流關(guān)斷原理，可關(guān)斷初始上升率為20A/s 的短路電流;而在電網(wǎng)側短路時(shí)，斷路器耐受短路電流沖擊，并在短延時(shí)后采用自然換流關(guān)斷原理關(guān)斷故障電流。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為這種關(guān)斷方案既提高斷路器的可靠性、減小了體積，同時(shí)降低了斷路器的成本。
1、工作原理
圖2 所示為雙向非一致混合型真空直流斷路器方案拓撲結構，它由高速真空開(kāi)關(guān)VI、固態(tài)關(guān)斷電路和吸能壓敏電阻MOV 組成。正常工作時(shí)，電流從真空開(kāi)關(guān)滅弧室流過(guò)，關(guān)斷時(shí)固態(tài)關(guān)斷電路起作用，實(shí)現真空滅弧室電流的自然換流關(guān)斷和強迫換流關(guān)斷。壓敏電阻MOV 用于限制關(guān)斷時(shí)斷路器的過(guò)電壓峰值，吸收電路中剩余的能量。
圖2 雙向非一致混合型真空直流斷路器拓撲結構
圖3(a)為正向自然換流關(guān)斷時(shí)投入工作的電路，分斷電流時(shí)首先打開(kāi)真空開(kāi)關(guān)VI，在真空開(kāi)關(guān)起弧前向晶閘管F0 發(fā)出導通信號;真空開(kāi)關(guān)打開(kāi)之后，在電弧電壓的作用下，真空開(kāi)關(guān)支路上的電流向并聯(lián)支路F0、D2 上轉移，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后真空開(kāi)關(guān)支路上電流完全轉移至并聯(lián)支路，此時(shí)真空滅弧室進(jìn)入零電壓介質(zhì)恢復階段，F0、D2 繼續導通一段時(shí)間保證真空滅弧室介質(zhì)強度可靠恢復。之后導通晶閘管F1，預先充電的電容C 向F0 發(fā)出反向電流，使F0 上電流下降并過(guò)零，之后反向流從D1 上流過(guò)給F0 提供一定的恢復時(shí)間，回路中剩余的能量由電容C 與壓敏電阻MOV 共同吸收。在正向關(guān)斷電路的設計中，應使關(guān)斷電流的全部或大部分從F0支路流過(guò)，以提高關(guān)斷電流的利用率。
圖3 雙向非一致混合型真空直流斷路器正反向關(guān)斷原理
圖3(b)為反向強迫換流關(guān)斷時(shí)投入工作的電路，分斷時(shí)首先給真空開(kāi)關(guān)VI 動(dòng)作信號，真空開(kāi)關(guān)起弧后立即導通晶閘管F2，預先充電的電容C 經(jīng)二極管D1 向真空開(kāi)關(guān)VI 發(fā)出反向電流，使VI 上電流下降并過(guò)零，之后反向電流從D2 上流過(guò)，給VI 提供一定的恢復時(shí)間。在反向關(guān)斷電路的設計中，可通過(guò)電路結構參數設計使關(guān)斷電流絕大部分首先經(jīng)D1 支路流向真空開(kāi)關(guān)，以提高關(guān)斷電流的利用效率。
雙向非一致混合型真空直流斷路器正、反向關(guān)斷時(shí)，包含了真空滅弧室向固態(tài)電路自然換流、關(guān)斷電流向晶閘管支路強迫換流和關(guān)斷電流向真空開(kāi)關(guān)支路強迫換流等過(guò)程。這些換流過(guò)程與各支路的參數密切相關(guān)，在斷路器結構設計時(shí)應充分考慮結構參數對換流的影響，最大限度提高電路的工作效率。
下文將對以上提到 3 個(gè)換流過(guò)程進(jìn)行分析，為了分析方便，分析過(guò)程中忽略支路電阻的影響，同時(shí)將電弧電壓、晶閘管管壓降、二極管管壓降等效為恒壓源。
4、結論
1)提出一種雙向非一致混合型真空直流斷路器的拓撲結構，當系統中斷路器的發(fā)電機側發(fā)生短路故障分斷時(shí)采用強迫換流關(guān)斷原理，可現實(shí)初始上升率為20A/s 以上的短路電流限流分斷;而當電網(wǎng)側短路分斷或正常工作電流的分斷時(shí)，采用自然換流關(guān)斷原理關(guān)斷電流，既提高斷路器的可靠性、減小了體積，同時(shí)降低了斷路器的成本。
2)分析了斷路器結構參數對3 種換流過(guò)程的影響，基于此確定了1kV/2.5 kA 樣機固態(tài)電路的最佳連接方式，在該連接方式下正向關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷電流利用率為100%，反向關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷電流利用率為83%。
3)設計了1kV/2.5kA 斷路器樣機，成功進(jìn)行了正向8kA 的自然換流關(guān)斷試驗與反向上升率為20A/s 短路電流的強迫關(guān)斷試驗，反向限流峰值約為7.8kA。驗證了所提出雙向非一致混合型限流斷路器方案的有效性和可行性。
