王旋

摘 要：目前，直流系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對保護和控制的要求越來越高，如何快速監(jiān)測和開斷直流系統(tǒng)故障電流在直流系統(tǒng)的發(fā)展中顯得極其重要。本論文設(shè)計了基于人工過零的高速真空直流開斷主電路，對開斷過程中的電壓、電流特性進行了研究，對于掌握開斷過程中電流轉(zhuǎn)移過程、過電壓抑制方案提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：人工過零;真空;直流開斷

1 概述

直流電力系統(tǒng)由于其優(yōu)良的特性已廣泛應(yīng)用于電氣化鐵路、高壓直流輸電以及地鐵、輕軌等牽引系統(tǒng)中，但直流電流的開斷難度大，尤其是本論文研究的牽引直流系統(tǒng)，其發(fā)生故障時，短路電流峰值大、上升速度比常規(guī)的牽引系統(tǒng)高。針對此問題，本論文提出了基于人工過零的高速真空直流開斷方案。本文就如何實現(xiàn)上述方案及本方案中的一些影響因素展開研究。

2 牽引直流系統(tǒng)開斷過程仿真（無過電壓抑制措施）

2.1 仿真電路模型的建立

圖2-1 ?直流系統(tǒng)開斷等效電路圖

仿真電路中，短路電流在1ms時到來;主斷路器CB在短路電流到來后1ms開始打開;仿真中用斷路器來模擬真空觸發(fā)間隙TVG，TVG在3ms時導(dǎo)通將反向電流投入，3.5ms時打開。

2.2 仿真結(jié)果分析

圖2-2 ?牽引直流系統(tǒng)開斷仿真波形

1ms時短路，主回路電流和主斷路器支路電流隨之增大，2ms時主斷路器打開，由于沒有自然過零點，此時電路開不斷。3ms時換流回路TVG閉合投入反向電流，迫使主斷路器電流在3.025ms強制過零。此時主斷路器斷開，電流由主斷路器回路轉(zhuǎn)移至換流回路。主斷路器電流過零斷開后，換流回路與主電路組成振蕩回路，在振蕩電流過零前將TVG斷開，振蕩電流在3.525ms過零時，換流回路斷開，開斷電流過程隨之結(jié)束。

當(dāng)電流由主斷口支路轉(zhuǎn)移到換流回路中時，換流電容開始對回路放電，換流電容電壓降低。當(dāng)主斷路器電流過零斷開后，電流完全轉(zhuǎn)移至換流回路。此時，電路中的直流電源開始對換流電容進行反向充電，并在換流回路電流過零斷開前，始終和主回路一起振蕩。

主斷路器斷口兩端電壓波形中出現(xiàn)兩次振蕩：第一次是在主斷路器中電流過零后開始，小電容串入系統(tǒng)，并有一系列的充放電過程，其兩端電壓出現(xiàn)快速振蕩;第二次振蕩發(fā)生在觸發(fā)間隙斷開時，此時，主斷路器兩端的電容與直流電源、短路電阻、短路電感及短路點組成振蕩電路，使主斷路器斷口電壓在經(jīng)過劇烈振蕩后最終穩(wěn)定在系統(tǒng)電壓。

將反向電流投入時間延遲到短路電流到來后3ms（即在4ms時投入反向電流），TVG在4.5ms斷開。當(dāng)延遲反向電流投入時間時，系統(tǒng)中的振蕩電流值、過電壓明顯升高，主要是因為隨著開斷過程的推遲會有更多的能量流入系統(tǒng)，這些能量要在開斷過程中釋放掉，勢必會在系統(tǒng)中引起更大的振蕩電流和更高的過電壓。這嚴(yán)重的增大了短路開斷的難度。

在其他條件不變時，改變充電電容的初始電壓U0。當(dāng)U0減小時，ic隨之減小;當(dāng)ic減小到小于主斷口支路電流時，電路將不能開斷。在電路能成功開斷的情況下，增大U0對開斷過程幫助不大，甚至?xí)收祥_斷造成負(fù)面影響：使主斷口兩端過電壓升高。

改變換流電感可以改變換流回路的電流振蕩頻率和電流振蕩峰值。換流電感增大，換流回路的電流振蕩頻率下降，換流回路的振蕩電流峰值減小，當(dāng)換流電感一直增大，換流回路電流峰值將下降到小于主斷口支路電流，電路將不能開斷。換流電感減小，換流回路的電流振蕩頻率上升，主斷口支路和換流回路之間的電流轉(zhuǎn)移過程加快，換流回路的振蕩電流峰值增大，但當(dāng)電路能成功開斷時，減小換流電感對電路開斷沒有幫助，反而會使充電電容兩端電壓、主斷口兩端電壓升高，這對開斷不利。開斷過程中，系統(tǒng)中出現(xiàn)一個上升速率很快，且峰值高達33.8kV的過電壓，極可能擊穿主斷路器斷口，發(fā)生電弧重燃，產(chǎn)生重?fù)舸┻^電壓，容易對設(shè)備絕緣造成危害，并且會使故障開斷時間延長，很有可能造成故障范圍的擴大，降低了系統(tǒng)的可靠性。所以須采取相應(yīng)的措施，抑制過電壓。

3 牽引直流系統(tǒng)開斷中過電壓抑制

真空斷路器的開斷操作過電壓的抑制措施中，主要有以下兩種方法：接入阻容過電壓吸收器;接入避雷器。在本論文中，過電壓抑制措施采用氧化鋅避雷器。

3.1 仿真電路模型

在2.1.仿真電路模型Switch前接入避雷器。

3.2 仿真結(jié)果及對仿真結(jié)果的分析

避雷器在達到動作電壓時動作，將電流迅速吸收至其支路，換流回路的電流迅速下降，真空觸發(fā)間隙電流過零斷開。隨著能量的消耗，主斷路器斷口電壓逐漸下降，下降至避雷器的動作電壓之后，避雷器截止，主斷路器斷口兩端電壓快速小幅振蕩，最終穩(wěn)定在5kV系統(tǒng)電壓，完成開斷。在開斷過程中，由于避雷器的存在，吸收了開斷過程中的能量，從而抑制了過電壓，同時保護了換流電容等器件的安全，防止了電弧重燃，成功實現(xiàn)了開斷。

4 基于人工過零的高速真空直流開斷的實驗

本論文利用高壓合成回路中的電流源提供的交流振蕩電流來模擬直流短路上升電流。

4.1 試驗線路設(shè)計

圖4-1 ?采用高壓合成回路進行的開斷過程研究的實驗電路

在圖4-1中，用Ce、Le產(chǎn)生的振蕩電流來模擬直流短路上升電流;Rs、Ls為短路電路參數(shù);CB為主斷路器，用來開斷模擬的直流短路電流;真空觸發(fā)間隙TVG用來投入和斷開反向電流;換流電抗Lc和換流電容Cc用來產(chǎn)生高頻反向電流。

在進行實驗之前，先要利用充電電路對Ce和Cc進行充電，使其達到預(yù)定值。當(dāng)充電過程結(jié)束后，將各個充電回路控制開關(guān)打開，閉合CB，準(zhǔn)備開始直流開斷實驗。閉合Switch，電路中出現(xiàn)模擬的直流短路上升電流，在電流達到一定值時，令主斷路器打開，并經(jīng)過延時后通過實驗控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號，觸發(fā)TVG閉合，投入高頻反向電流。在一段時間后，TVG動作結(jié)束，并在其電流過零后斷開。

4.2 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比分析

無過電壓抑制措施下，進行實驗。設(shè)置主回路充電電壓為223V，換流回路充電電壓為419V，換流回路頻率為3.125kHz，反向電流投入時刻3.37ms時進行實驗;設(shè)置主回路充電電壓為284V，換流回路充電電壓為470V，換流回路頻率為3.125kHz，反向電流投入時刻3.37ms時進行實驗。實驗測得主斷口兩端電壓峰值為2000V時，仿真結(jié)果為1825V;實驗測得主斷口兩端電壓峰值為2500V時，仿真結(jié)果為2660V。將實驗測得的電壓電流波形與仿真結(jié)果相對比，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果大致相符，從而驗證了仿真所用模型的正確性。

5 結(jié)論

本文提出了采用氧化鋅避雷器抑制系統(tǒng)過電壓的方案，對開斷過程中的電壓、電流特性、電流轉(zhuǎn)移和過電壓的抑制進行了研究，得到以下結(jié)論：

①投入反向電流時機對總回路電流峰值、換流電容兩端電壓、開斷時間有直接影響;

②換流電容的充電電壓越高，主斷路器中電流過零斷開所需時間就越小，主斷口電壓峰值和換流電容兩端電壓增大;

③換流回路反向電流頻率越高，主斷路器完全斷開所需的時間越短，電流變化速率越大，系統(tǒng)中主斷口電壓峰值和換流電容電壓峰值越大;

④避雷器能夠有效地轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中的電流，泄放開斷過程中的能量，從而有效的降低過電壓。