余躍聽，黃青梅，江壯賢

(1. 海軍駐武漢719所軍事代表室，武漢 430064；2. 92730部隊裝備部，三亞 572016；3. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引言

真空斷路器由于具有耐壓能力高、在電流過零點介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度快、燃弧能量低、安全和免維護(hù)等特點在交流系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。近年來真空開關(guān)逐步向直流系統(tǒng)發(fā)展，如直流輸配電、輕軌、地鐵及艦艇等場合也越來越多的采用真空直流開關(guān)[4-10]。為了將交流真空開關(guān)應(yīng)用于直流系統(tǒng)，最常用的辦法是采用強(qiáng)迫換流的方法使真空開關(guān)中的直流電流強(qiáng)制過零，利用真空開關(guān)在電流過零點極強(qiáng)的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)能力來形成絕緣介質(zhì)間隙，分?jǐn)嚯娏鱗11,12]。

圖1所示為真空直流開關(guān)的一種原理結(jié)構(gòu)圖，它的工作過程如下：正常工作時主回路電流is從真空開關(guān)VB上流過；當(dāng)需要分?jǐn)嚯娏鲿r，首先打開真空開關(guān) VB，真空電弧出現(xiàn)；經(jīng)過一定時間的燃弧后真空開關(guān)形成足夠的觸頭開距，此時導(dǎo)通關(guān)斷回路晶閘管TH，預(yù)先充電的電容C通過電感L對真空開關(guān)放電，形成與主回路電流方向相反的脈沖電流ic，使真空開關(guān)中的電流逐漸的減小直至形成電流過零點。真空電弧電流過零之前由于電弧電壓的鉗位作用二極管D無法開通，直到電弧熄后反向脈沖電流才從二極管流過，為真空滅弧室提供零電壓的介質(zhì)恢復(fù)時間，更加有利于真空開關(guān)成功分?jǐn)唷?/p>

圖1 真空直流開關(guān)原理結(jié)構(gòu)圖

采用強(qiáng)迫換流原理的真空直流斷路器為了分?jǐn)喔呱仙实亩搪冯娏?，要求真空開關(guān)不僅機(jī)械延時短而且觸頭初期運動速度快，以盡快形成足夠的觸頭開距。開距形成時間越短，關(guān)斷電流就可越早發(fā)出，短路電流對真空觸頭的燒損越小，而且關(guān)斷時刻越早，短路電流越小，所需的關(guān)斷電流峰值也越小，不僅可以減小關(guān)斷電路體積，而且有利于降低電流過零點的di/dt，這對于真空介質(zhì)的強(qiáng)度的恢復(fù)意義重大。

與真空開關(guān)一樣，關(guān)斷電路的導(dǎo)通開關(guān)也必須動作速度快，由于斷路器正常工作時關(guān)斷電路導(dǎo)通開關(guān)無需通流，因此一般的功率晶閘管便可滿足要求。若斷路器的電壓等級過高或所需的關(guān)斷電流上升率過大時可采用真空觸發(fā)開關(guān)，本文采用具有較快導(dǎo)通 di/dt的快速晶閘管作用關(guān)斷電路的快速導(dǎo)通開關(guān)。

在斷路器關(guān)斷短路電流時，線路電感中存儲的能量將使斷路器兩端出現(xiàn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)電壓的過電壓，若不加以限制將會對系統(tǒng)設(shè)備和斷路器的器件造成損壞。因此斷路器兩端并聯(lián)了壓敏電阻以限制關(guān)斷過電壓。

本文將對基于強(qiáng)迫換流原理的真空直流限流斷路器進(jìn)行仿真與試驗研究，對斷路器的限流分?jǐn)噙^程進(jìn)行分析。

1 高速真空開關(guān)

為了滿足限流斷路器對真空開關(guān)的要求，本文設(shè)計了基于電磁斥力機(jī)構(gòu)的高速真空開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的不同工作過程如下：

1）合閘狀態(tài)：真空開關(guān)合閘狀態(tài)的觸頭壓力由壓力彈簧和真空滅弧室的自閉力產(chǎn)生，以保證真空開關(guān)導(dǎo)通時的低阻特性。

2）分閘：分閘時預(yù)先充電的脈沖放電電路對斥力線圈放電在斥力金屬盤中感應(yīng)出與斥力線圈電流方向相反的渦流，依靠斥力盤與斥力線圈間產(chǎn)生的電磁斥力推動斥力盤帶動動觸頭快速分離，電磁斥力機(jī)構(gòu)的原理圖如圖3(a)所示，觸頭運動到一定開距后，鎖扣彈簧（圖中未畫出）帶動鎖扣桿將觸頭動固定于分閘位置。

3）合閘：當(dāng)故障解除后需要合閘時，通過對脫扣電磁鐵（圖中未畫出）通電，電磁鐵克服鎖扣彈簧的拉力使機(jī)構(gòu)脫扣，動觸頭在滅弧室自閉力及壓力彈簧的作用下合閘。

圖2 高速真空開關(guān)結(jié)構(gòu)

圖3（b）所示為電磁斥力機(jī)構(gòu)的動作特性，斥力電容C容量100 μF，充電1.5 kV。由圖可知斥力線圈電流峰值5 kA，峰值時間約50 μs，所產(chǎn)生的電磁斥力峰值約40 kN，加速過程結(jié)束后動觸頭運動速度可達(dá) 2 m/s，后期測試表明該觸頭機(jī)構(gòu)的機(jī)械延時為 75 μs。

圖3 電磁斥力機(jī)構(gòu)

2 脈沖電容試驗電路

本文采用脈沖電容器放電回路試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要組成如圖4所示。脈沖電容放電系統(tǒng)的原理是，把若干個電容器經(jīng)串并聯(lián)后組成電容器組C1，放電試驗前首先對C1充電，儲存能量，然后經(jīng)電感和限流斷路器放電，產(chǎn)生一定頻率的放電電流，以在短時間內(nèi)獲得相當(dāng)于實際系統(tǒng)短路電流的放電電流供限流斷路器開斷能力試驗使用。

脈沖電容放電系統(tǒng)可分為充電回路和放電試驗回路兩部分，先斷開開關(guān)K2，閉合開關(guān)K1，將電容器組C1充電至電壓U1，然后斷開K1使充電電路停止工作。在確定被試限流斷路器處于閉合狀態(tài)情況下，給放電回路的晶閘管F觸發(fā)導(dǎo)通信號，C1開始放電過程，限流斷路器按照控制程序進(jìn)行限流分?jǐn)?，由示波器記錄電流波形i和限流斷路器兩端電壓u。試驗完成后，閉合開關(guān)K2可以將電容C1的剩余能量釋放掉。

圖4 脈沖電容放電系統(tǒng)

通過適當(dāng)選擇電容值C1、充電電壓U1和電感值L1，即可得到模擬實際系統(tǒng)短路所需要的放電電流波形。本文試驗中電容C1的取值主要有5 mF、10 mF、30 mF和190 mF，電感L1的取值主要有15 μH、20 μH、25 μH、30 μH、60 μH 和 100 μH，通過搭配不同的電容和電感取值來模擬不同的短路電流波形。采用脈沖電容放電系統(tǒng)代替實際直流電源系統(tǒng)的等效性應(yīng)滿足以下三個方面要求：

1）電流特性相同：電容放電電流波形與實際短路電流波形在上升段一致，即電流到達(dá)峰值前的上升率di/dt與實際系統(tǒng)相同；

2）能量特性相同：限流過程中電容釋放出的能量與實際系統(tǒng)一致，即在限流斷路器中MOV開始限壓吸能時電感上儲存的能量應(yīng)一致；

3）電壓特性相同：限流結(jié)束后，電容C1剩余電壓應(yīng)等于或高于實際系統(tǒng)電壓。

3 關(guān)斷過程仿真分析

為了更好理解限流斷路器的分?jǐn)噙^程，采用EMTP仿真軟件建立斷路器及試驗系統(tǒng)的仿真模型。仿真中所用參數(shù)與試驗參數(shù)一致，如表1所示，其中負(fù)載電阻依據(jù)關(guān)斷試驗項目的不同選擇不同阻值。

1）短路關(guān)斷仿真

短路關(guān)斷時負(fù)載電阻為5.5 mΩ。斷路器的控制策略為：當(dāng)短路電流到達(dá)1 kA時延時20 μs再檢測，若電流仍大于1 kA則認(rèn)為發(fā)生短路故障，確定故障后給高速真空開關(guān)發(fā)動作信號，使真空滅弧室動、靜觸頭分離，高速真空開關(guān)機(jī)械延時約75 μs；高速真空開關(guān)動作信號發(fā)出100 μs后導(dǎo)通關(guān)斷電路晶閘管，開始強(qiáng)迫換流關(guān)斷過程。

表1 試驗及仿真參數(shù)

短路仿真結(jié)果如圖5所示，短路發(fā)生后主回路電流以5.5 A/μs的速度上升，t0=292 μs時真空滅弧室觸頭分離，t1=317 μs時關(guān)斷電路發(fā)出關(guān)斷電流，此時真空滅弧室電弧電流達(dá)到最大值 1.78 kA。隨著關(guān)斷電流的上升，真空滅弧室電流不斷下降并在380 μs時下降到零，真空電弧熄滅。t2時刻開始，續(xù)流二極管導(dǎo)通，真空滅弧室處于零電壓的介質(zhì)恢復(fù)階段，直至t3=422 μs時二極管截止，主回路電流轉(zhuǎn)移至關(guān)斷回路，零電壓恢復(fù)階段結(jié)束，二極管電流峰值405 A，零電壓時間tr=t3-t2=42 μs。t3時刻以后主回路電流向關(guān)斷電容充電，此時斷路器兩端電壓等于關(guān)斷電容電壓，并隨著充電的過程電壓不斷提高，并在t4=475 μs時刻電壓達(dá)到壓敏電壓動作的閾值，壓敏電阻開始導(dǎo)通。壓敏電阻起作用后，關(guān)斷回路電流向壓敏電阻支路轉(zhuǎn)移，t5=530 μs時關(guān)斷回路電流完全轉(zhuǎn)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(dá)到最大值2 kV。電流完全切斷發(fā)生在t5=1130 μs時刻，關(guān)斷過程關(guān)斷晶閘管承受反向電壓為關(guān)斷電容與斷路器兩端電壓之差，最大值1 kV，關(guān)斷后斷路器兩端電壓等于電回路電容剩余電壓約1.08 kV。

圖5 短路關(guān)斷仿真結(jié)果

2）額定電流關(guān)斷仿真

400 A額定電流關(guān)斷時負(fù)載電阻取2.6 Ω，斷路器的控制策略為：當(dāng)短路電流到達(dá)300 A時，延時200 μs后給高速真空開關(guān)發(fā)動作信號，使真空滅弧室動、靜觸頭分離；高速真空開關(guān)動作信號發(fā)出425 μs后導(dǎo)通關(guān)斷電路晶閘管，開始強(qiáng)迫換流關(guān)斷過程，與短路關(guān)斷相比額定關(guān)斷時由于滅弧室的燃弧電流只有400 A，且保持恒定不變，因而從斥力信號發(fā)出至關(guān)斷信號發(fā)出采取了較長延時策略，目的是使真空滅弧室運動到足夠大的開距，避免關(guān)斷回路電流向續(xù)流二極管支路轉(zhuǎn)移時感應(yīng)的電壓使滅弧室反向擊穿重燃。

額定電流關(guān)斷仿真結(jié)果如圖6所示，與短路關(guān)斷相似額定關(guān)斷也存在滅弧室電流向關(guān)斷電路轉(zhuǎn)移的過程，由于主回路電流比短路時相比要小得多因而滅弧室電流過程后向續(xù)流二極管轉(zhuǎn)移的電流要大得多，這種情況下續(xù)流二極管導(dǎo)通時間 102.3 μs，電流峰值2.2 kA。由于回路能量較小，關(guān)斷電容充電壓未達(dá)到壓敏電阻保護(hù)電壓閾值，因而關(guān)斷過程中壓敏電阻未開通，不存在向壓敏電阻的換流的階段，續(xù)流二極管截止后斷路器兩端電壓等于關(guān)斷電容電壓，關(guān)斷過程關(guān)斷晶閘管不承受反向電壓。關(guān)斷后斷路器兩端電壓等于電回路電容剩余電壓約1.09 kV。

圖6 額定關(guān)斷仿真結(jié)果

4 試驗結(jié)果

圖7和圖8分別為1 kV/400 A限流斷路器樣機(jī)短路電流分?jǐn)嗪皖~定電流分?jǐn)嗟脑囼灲Y(jié)果，為了方便比較將各自的仿真結(jié)果也在圖中表示出來，結(jié)果表明仿真與試驗具有較高的一致性。

短路電流分?jǐn)嘟Y(jié)果中，初始電流上升率為 5.5 A/μs的短路電流被限流到2.5 kA以下，電流到達(dá)峰值時間530 μs，完整的限流分?jǐn)鄷r間1.35 ms，斷路器兩端過電壓小于2 kV，短路關(guān)斷試驗和額定電流關(guān)斷試驗結(jié)束后主回路電容電壓大于1kV，滿足等效試驗要求。

圖7 短路關(guān)斷仿真與試驗結(jié)果對比

圖8 額定關(guān)斷仿真與試驗結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文對強(qiáng)迫換流型限流斷路器的限流分?jǐn)噙^程進(jìn)行了仿真分析與試驗研究，仿真與試驗結(jié)果一致性較好。分析了限流斷路器的短路與額定關(guān)斷過程，得到以下結(jié)論：

1）通過在真空開關(guān)兩端反向并聯(lián)續(xù)流二極管，使真空開關(guān)電弧電流過零后獲得零電壓介質(zhì)恢復(fù)時間，有利于真空介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)和電流的關(guān)斷。

2）短路關(guān)斷時，主回路對關(guān)斷電容充電使斷路器兩端出現(xiàn)大于系統(tǒng)電容的過電壓，可以通過并聯(lián)壓敏電阻來限制過高的過電壓。

3）關(guān)斷過程中關(guān)斷晶閘管承受反向電壓為關(guān)斷電容與斷路器兩端電壓之差，壓敏電阻不起作用時，關(guān)斷晶閘管關(guān)斷過程不承受反壓。

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