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一種基于RC支路主動(dòng)補(bǔ)償?shù)男滦椭绷鲾嗦菲?/h1>
2020-12-29 06:28黃亞峰王淳民嚴(yán)干貴孫曉清
關(guān)鍵詞：支路電弧斷路器

黃亞峰，王淳民，嚴(yán)干貴，周 銀，孫曉清

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

隨著有效的遠(yuǎn)程能源傳輸、可再生資源的整合和可靠的電力供應(yīng)需求的不斷增長(zhǎng)，直流系統(tǒng)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的地位越來(lái)越重要.而限制直流系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)主要難題是直流故障的快速切除.因此研制一種可靠、快速、低損耗和經(jīng)濟(jì)高效的直流斷路器(Direct Current Circuit Breakers，DCCB)至關(guān)重要[1-6].

目前研究的直流斷路器主要有三種技術(shù)方案：固態(tài)式直流斷路器、混合式直流斷路器和機(jī)械式直流斷路器[7-8].固態(tài)式直流斷路器開(kāi)斷速度快，已有較多文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[9]所提固態(tài)式直流斷路器利用電力電子開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)快速分?jǐn)嘀绷麟娏?但固態(tài)式直流斷路器應(yīng)用于高壓直流電網(wǎng)時(shí)，需要大量的電力電子器件進(jìn)行串并聯(lián)，帶來(lái)了較大的通態(tài)運(yùn)行損耗以及制造成本[10].混合式直流斷路器結(jié)合了固態(tài)開(kāi)關(guān)器件的快速開(kāi)斷能力和機(jī)械開(kāi)關(guān)單元的載流能力[11]，國(guó)內(nèi)外關(guān)于混合式直流斷路器的研究文獻(xiàn)也很多，ABB公司于2012研制出了世界上第一臺(tái)開(kāi)斷能力為9 kA的混合式直流斷路器樣機(jī)，南方電網(wǎng)科學(xué)研究院在2014年研制出了開(kāi)斷能力為16 kA的樣機(jī).但混合式直流斷路器存在元件多、控制復(fù)雜、造價(jià)高這些問(wèn)題[12].機(jī)械式直流斷路器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行損耗低、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，因此受到很多研究者的青睞[13-14].

目前機(jī)械式直流斷路器主要依靠主開(kāi)斷支路中的機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)斷直流電流，但機(jī)械開(kāi)關(guān)難以直接開(kāi)斷故障電流，其主要原因是：在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)斷一個(gè)很大的故障電流，過(guò)大的di/dt造成電路承受過(guò)電壓，由于機(jī)械開(kāi)關(guān)在開(kāi)斷初期動(dòng)靜觸頭的開(kāi)距未拉到足以承受作用在機(jī)械開(kāi)關(guān)兩端的電壓，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械開(kāi)關(guān)起弧，無(wú)法完成直流分?jǐn)?自激型機(jī)械式直流斷路器利用電弧的負(fù)阻特性迫使無(wú)源LC振蕩支路產(chǎn)生振蕩電流向主開(kāi)斷支路注入反向電流，使主開(kāi)斷支路中的電弧在電流零點(diǎn)熄滅，但分?jǐn)鄷r(shí)間長(zhǎng)，不能滿足高壓直流輸電系統(tǒng)的要求[15].文獻(xiàn)[16]介紹了一種開(kāi)斷時(shí)間長(zhǎng)達(dá)15 ms的自激型機(jī)械式直流斷路器，因?yàn)橹绷飨到y(tǒng)阻尼較小，發(fā)生短路故障時(shí)電流上升速度很快，為防止非故障線路換流器閉鎖，所以直流斷路器的開(kāi)斷時(shí)間必須在5 ms內(nèi)[17-18].為了減少開(kāi)斷時(shí)間，文獻(xiàn)[19]采取有源注入方法為主開(kāi)斷支路人為創(chuàng)造過(guò)零點(diǎn)，預(yù)充電的電容C與同支路的電感L發(fā)生串聯(lián)諧振向主開(kāi)斷支路注入反向電流使機(jī)械真空開(kāi)關(guān)中的電弧在電流零點(diǎn)可靠熄滅，較自激型機(jī)械式直流斷路器來(lái)說(shuō)所用開(kāi)斷時(shí)間有所減少，但其在對(duì)機(jī)械真空開(kāi)關(guān)進(jìn)行建模時(shí)把它作為一個(gè)閉合時(shí)電阻為0.1 mΩ、打開(kāi)時(shí)電阻為1E 10 Ω的電阻開(kāi)關(guān)，在真空開(kāi)關(guān)起弧過(guò)程中真空開(kāi)關(guān)按閉合狀態(tài)處理電阻一直為0.1 mΩ，然而實(shí)際上電弧電阻是一個(gè)可變電阻，所以這樣對(duì)機(jī)械真空開(kāi)關(guān)建模不能準(zhǔn)確地反映真空開(kāi)關(guān)燃弧過(guò)程中電弧電壓、電弧電流以及電弧電阻的變化過(guò)程.

針對(duì)以上直流斷路器面臨的問(wèn)題，本文首先給出了真空開(kāi)關(guān)起弧判據(jù)及電弧可靠熄滅條件，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于RC支路主動(dòng)補(bǔ)償?shù)男滦椭绷鲾嗦菲魍負(fù)浞桨福榻B了該拓?fù)涞墓ぷ髟?，給出了RC支路參數(shù)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)搭建電弧模型對(duì)燃弧過(guò)程進(jìn)行了分析并通過(guò)單端中壓系統(tǒng)仿真驗(yàn)證了該拓?fù)浞桨傅目尚行?

1 真空開(kāi)關(guān)起弧判據(jù)與電弧可靠熄滅條件

設(shè)真空開(kāi)關(guān)的耐受電壓為Ud，真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷過(guò)程中承受電壓為Us，其中Ud與觸頭開(kāi)距d有關(guān)，其表達(dá)式為

Ud(t)=k2d(t)a，

(1)

公式中：k2為常數(shù)，其數(shù)值由試驗(yàn)確定；d(t)為真空開(kāi)關(guān)的觸頭開(kāi)距隨時(shí)間變化的函數(shù)；a為常數(shù)，取值范圍為0.5～1[20].

以真空開(kāi)關(guān)開(kāi)距形成的介質(zhì)強(qiáng)度與開(kāi)關(guān)承受電壓大小關(guān)系作為電弧產(chǎn)生判據(jù)：

(1)當(dāng)Ud>Us，開(kāi)斷過(guò)程不產(chǎn)生電弧，如圖1(a)；

(2)當(dāng)Ud

起弧后電弧可靠熄滅條件：

使電弧電流出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，且電弧電流過(guò)零以后Ud>Us，如圖1(b)如果在t1時(shí)刻電弧電流出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)使電弧熄滅，則t1時(shí)刻以后電弧不再重燃.

2 基于RC支路主動(dòng)補(bǔ)償?shù)男滦虳CCB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于RC支路主動(dòng)補(bǔ)償?shù)男滦虳CCB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由主支路、RC輔助支路以及能量吸收支路并聯(lián)構(gòu)成，如圖2所示.

主支路由快速真空開(kāi)關(guān)S構(gòu)成；RC輔助支路由預(yù)充電電容C、電阻R以及晶閘管組成；能量吸收支路由負(fù)責(zé)限制斷路器兩端電壓并且吸收斷路器分?jǐn)嗪笙到y(tǒng)殘余能量的氧化鋅避雷器(MOV)組成.

在斷路器電源側(cè)增設(shè)了限流電感L以及輔助斷路器BCB，L用于限制短路電流上升速度，BCB則實(shí)現(xiàn)電氣隔離.同時(shí)在RC支路與地面之間增設(shè)了預(yù)充電電阻RX.

2.2 工作原理

為說(shuō)明本文所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，以下將分為正常運(yùn)行時(shí)、發(fā)生短路故障時(shí)兩種情況進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明.

正常運(yùn)行時(shí)，S處于閉合狀態(tài)，晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，電流流經(jīng)主支路，通態(tài)損耗小，同時(shí)電容將被直流電源充電至直流母線電壓UDC.

發(fā)生短路故障時(shí)(以圖2電流I所示方向?yàn)槔?，假設(shè)t0時(shí)刻發(fā)生短路故障，流過(guò)主支路的電流上升，但由于限流電感L的作用，短路電流上升速度得到抑制.控制單元監(jiān)測(cè)到短路故障，立即給快速真空開(kāi)關(guān)S的電磁斥力機(jī)構(gòu)發(fā)送分閘命令，經(jīng)過(guò)一定的延遲后S觸頭開(kāi)始打開(kāi)，S起弧至t1時(shí)刻真空開(kāi)關(guān)的動(dòng)靜觸頭達(dá)到安全開(kāi)距，控制單元給晶閘管發(fā)送觸發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，預(yù)充電電容C會(huì)立刻產(chǎn)生一個(gè)很大的反向電流注入真空開(kāi)關(guān)所在主支路，形成電弧過(guò)零熄滅條件，主支路電流轉(zhuǎn)移到RC支路.電容器C經(jīng)歷一個(gè)放電再反向充電過(guò)程，隨著電容電壓的增加，主支路兩端電壓也在增加.t2時(shí)刻，主支路兩端電壓升高至MOV的保護(hù)電壓，MOV開(kāi)始動(dòng)作.系統(tǒng)電流開(kāi)始從RC支路轉(zhuǎn)移到MOV支路.t2-t3時(shí)段電流從RC支路逐漸轉(zhuǎn)移到MOV支路.t3時(shí)刻，電流全部轉(zhuǎn)移到MOV支路，此時(shí)，流過(guò)晶閘管和RC的電流降為零，RC支路實(shí)現(xiàn)自然分?jǐn)?t4時(shí)刻，隨著MOV的切斷，系統(tǒng)總電流降為零，BCB打開(kāi)完成整個(gè)分?jǐn)噙^(guò)程.

3 基于RC支路主動(dòng)補(bǔ)償?shù)男滦椭绷鲾嗦菲鱎C輔助支路參數(shù)

由于RC輔助支路中的電阻R和電容C的大小直接影響著DCCB的分?jǐn)嘈阅?因此在對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下要求：

(1)保證電弧可靠熄滅；

(2)保證開(kāi)斷時(shí)間在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi).

3.1 電阻R的設(shè)計(jì)

因?yàn)殡娮鑂的大小直接決定了反向電流瞬時(shí)值的大小，為了保證電弧電流過(guò)零熄弧，電阻R不能超過(guò)一定值.

直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于故障回路內(nèi)等值電感Ldc的存在，短路電流近似以恒定的斜率上升.忽略故障回路內(nèi)等值電阻，短路電流上升階段直流電流I(t)的表達(dá)式為

(2)

公式中：Vdc為直流電源電壓；IN為正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)額定電流.

晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，為了使電弧電流出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)熄弧，反向電流瞬時(shí)值Ic0在考慮km倍裕量條件下，其約束條件為

(3)

公式中：t1-t0為從發(fā)生短路故障到晶閘管導(dǎo)通所用的時(shí)間.

由于燃弧期間電弧電阻很小，對(duì)Ic0數(shù)值影響不大，故得Ic0數(shù)值為

(4)

由公式(4)可知Ic0只受制于電阻R，故得R的約束條件為

(5)

3.2 電容C的設(shè)計(jì)

電容C的取值不僅影響真空開(kāi)關(guān)S兩端所承受的電壓大小，還影響電容放電和反向充電的時(shí)間.因此為了保證電弧熄滅后不再重燃，同時(shí)保證DCCB開(kāi)斷時(shí)間(DCCB的開(kāi)斷時(shí)間定義為從直流斷路器接收到開(kāi)斷指令到系統(tǒng)電流開(kāi)始下降的時(shí)間)在5 ms內(nèi)，電容C的取值應(yīng)滿足一定的約束條件.

電容C放電再反向充電過(guò)程中，真空開(kāi)關(guān)S兩端承受的電壓Us(t)求取過(guò)程如下：

電弧熄滅后，C繼續(xù)放電至零，此時(shí)系統(tǒng)電路等效為系統(tǒng)電源串聯(lián)Ldc、R、C的二階電路，電容電壓Uc方向取左正右負(fù)方向，所以系統(tǒng)等效電路方程為

(6)

公式中：Uc(0)=-Vdc為初始條件.

(7)

公式中：δ為衰減系數(shù)，其大小為

δ=R/2Ldc

；

(8)

ω為衰減振蕩頻率，其大小為

(9)

I1為電流從主支路轉(zhuǎn)移到RC支路瞬間直流電流值，其大小為

(10)

放電過(guò)程中RC支路電流大小為

(11)

放電過(guò)程中S兩端承受的電壓為

(12)

為了保證C放電過(guò)程中電弧不會(huì)重燃，此過(guò)程中S的耐受電壓應(yīng)大于其兩端承受的電壓模值，故電容C需滿足以下約束條件為

(13)

當(dāng)C放電至零后開(kāi)始反向充電，電容C反向充電過(guò)程與放電過(guò)程類似，在斷路器兩端電壓達(dá)到MOV動(dòng)作電壓前，系統(tǒng)等效電路方程仍為公式(6)，因此關(guān)于反向充電過(guò)程中真空開(kāi)關(guān)兩端所承受電壓的求取過(guò)程不再詳細(xì)敘述.為保證此過(guò)程中電弧不會(huì)重燃，真空開(kāi)關(guān)S在此過(guò)程中的耐受電壓同樣也得高于其兩端承受的電壓.

當(dāng)斷路器兩端電壓達(dá)到MOV動(dòng)作電壓時(shí)，MOV動(dòng)作，電流開(kāi)始由RC支路向MOV支路轉(zhuǎn)移，MOV 支路電流上升率受電容C取值的影響，C取值越大，MOV支路電流上升率越低，真空開(kāi)關(guān)S兩端承受的電壓越低，同時(shí)C取值越大，C放電及反向充電過(guò)程所用時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致新型DCCB開(kāi)斷時(shí)間越長(zhǎng).因此在保證新型DCCB開(kāi)斷時(shí)間在5ms內(nèi)，同時(shí)保證真空開(kāi)關(guān)耐受電壓大于其兩端承受電壓的前提下，C取值越大越好.

4 仿真分析

4.1 單端中壓直流系統(tǒng)仿真模型及參數(shù)

為了驗(yàn)證本文所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性和參數(shù)取值的正確性，在Matlab/Simulink中搭建一個(gè)典型的單端中壓直流系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型.仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，在t=0.3 s時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)SW模擬短路故障.仿真系統(tǒng)參數(shù)詳見(jiàn)表1.

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

真空開(kāi)關(guān)S經(jīng)過(guò)固有分閘延遲時(shí)間開(kāi)始分閘時(shí)，由于此刻真空開(kāi)關(guān)的觸頭開(kāi)距未拉到足夠的開(kāi)距以承受其兩端的電壓，所以真空開(kāi)關(guān)會(huì)起弧.為了清楚地了解起弧過(guò)程中電弧電壓、電弧電流以及電弧電阻的變化過(guò)程，需搭建合適的電弧模型進(jìn)行研究.

圖3 仿真系統(tǒng)圖4 Mayr電弧模型

Mayr電弧模型適用于采用輔助支路來(lái)產(chǎn)生人工過(guò)零點(diǎn)的直流斷路器的仿真研究中[21].因此本文選擇搭建Mayr電弧模型以對(duì)燃弧過(guò)程進(jìn)行研究.

利用Simulink搭建的Mayr電弧模型，如圖4所示.其中微分編輯器DEE編入Mayr電弧模型的微分方程為

(14)

公式中：g為電弧電導(dǎo)；u為電弧電壓；i為電弧電流；f為電弧時(shí)間常數(shù)；P為電弧散熱功率.

對(duì)于Mayr電弧模型的三個(gè)常數(shù)f、P及電弧電導(dǎo)初始值g0，本文選取了一組典型值：f=0.5×10-3s，P=2.9×105W，g0=104S[22].

4.2 基于RC支路主動(dòng)補(bǔ)償?shù)男滦虳CCB仿真波形

為了驗(yàn)證本文所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性以及參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性，本文給出了基于RC支路主動(dòng)補(bǔ)償?shù)男滦椭绷鲾嗦菲鞯姆抡娌ㄐ伟ㄐ滦虳CCB內(nèi)部電流仿真波形如圖5所示、電弧電流和電阻仿真波形如圖6所示、真空開(kāi)關(guān)S兩端電壓及其耐受電壓仿真波形如圖7所示.

t=0.3 s時(shí)，負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障，由于限流電感的存在，短路電流以0.86 kA/ms的速率上升.

經(jīng)過(guò)2 ms的故障檢測(cè)與判別時(shí)間，新型DCCB在t=0.302 s時(shí)收到分閘指令.

經(jīng)過(guò)0.5 ms分閘延遲時(shí)間，t=0.302 5 s時(shí)新型DCCB開(kāi)始分閘.由于S的動(dòng)靜觸頭未拉到足夠的開(kāi)距以承受S兩端的電壓，所以S會(huì)起弧至真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)距達(dá)到安全開(kāi)距.

t=0.303 s時(shí)，真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)距達(dá)到安全開(kāi)距，晶閘管導(dǎo)通，Ic注入主支路，由圖6(a)可以看出S中的電弧在電流零點(diǎn)熄滅.

電弧熄滅后，由圖7可以看出電弧熄滅后S的耐受電壓Ud一直高于其兩端所承受的電壓Us的模值，所以電弧不會(huì)重燃.

t=0.303 3 s時(shí)主支路兩端電壓達(dá)到MOV動(dòng)作電壓MOV開(kāi)始動(dòng)作，直流電流I開(kāi)始下降，由圖5可知t=0.308 57 s時(shí)，直流電流I降為零.

由圖5、圖6以及圖7的仿真波形可以看出，在分?jǐn)噙^(guò)程中真空開(kāi)關(guān)中的電弧被可靠熄滅同時(shí)斷路器的開(kāi)斷時(shí)間為1.3 ms，證明了新型DCCB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性.

由圖6(b)可知t=0.302 5 s～t=0.303 s這段燃弧時(shí)間內(nèi)電弧電阻呈現(xiàn)正增長(zhǎng)趨勢(shì)，但其數(shù)值很小所以在計(jì)算反向電流瞬時(shí)值Ic0時(shí)，電弧電阻可以忽略不計(jì).從圖5可以看出Ic0為6.67 kA大于此刻直流電流I的1.5倍，證明了本文所提出的參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性.

圖7中S耐受電壓波形是根據(jù)文獻(xiàn)[23]所提供的快速真空開(kāi)關(guān)開(kāi)距與時(shí)間的仿真數(shù)據(jù)然后由公式(1)求得不同時(shí)刻的Ud值進(jìn)而得出Ud隨時(shí)間變化的波形.由圖7可知t=0.303 s時(shí)快速真空開(kāi)關(guān)S熄弧瞬間S兩端的電壓模值為10.01 kV，此時(shí)S的耐受電壓為26.29 kV.同時(shí)在0.303 s以后Ud一直高于Us的模值，進(jìn)一步證明了參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性.

5 結(jié) 論

本文從保證電弧可靠熄滅以及改善真空開(kāi)關(guān)兩端所承受電壓的角度提出了一種基于RC支路主動(dòng)補(bǔ)償?shù)男滦椭绷鲾嗦菲魍負(fù)浣Y(jié)構(gòu).該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具備以下特點(diǎn)：

(1)通過(guò)投入RC輔助支路為主支路注入反向補(bǔ)償電流，使主支路電流過(guò)零熄弧，同時(shí)通過(guò)選擇電阻R和電容C的參數(shù)大小，改善真空開(kāi)關(guān)兩端承受電壓的大小，使得電弧熄滅后真空開(kāi)關(guān)兩端承受的電壓低于其耐受電壓，進(jìn)而保證電弧不重燃.

(2)RC輔助支路在C反向充電過(guò)程中，可以看作一個(gè)緩沖限壓支路，能有效降低MOV動(dòng)作初期產(chǎn)生的電壓尖峰；

(3)仿真結(jié)果顯示開(kāi)斷時(shí)間為1.3 ms，具有快速開(kāi)斷直流電流的能力.

本文還介紹了所提直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，并且給出了RC輔助支路參數(shù)設(shè)計(jì)方法，最后通過(guò)搭建Mayr電弧模型仿真分析了燃弧階段電弧特性，同時(shí)搭建單端中壓直流系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性以及參數(shù)取值的正確性.

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