新型真空直流限流斷路器設(shè)計(jì)及其介質(zhì)恢復(fù)特性
針對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)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(xù)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(xù)流二極管的續(xù)流作用，使真空開(kāi)關(guān)在電弧電流強(qiáng)迫過(guò)零后得到零電壓介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間，提高了真空滅弧
室的介質(zhì)恢復(fù)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(qiáng)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(jī)構(gòu)、脈沖關(guān)斷電路的設(shè)計(jì)。針對(duì)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(shè)計(jì)了與其等效的介質(zhì)恢復(fù)試驗(yàn)，對(duì)方案可行性進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)了1kV/400A 限流斷路器樣機(jī)并進(jìn)行短路關(guān)斷試驗(yàn)，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://genius-power.com/)認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果證明所提出方案有效、可行。
1、引言
直流電力系統(tǒng)與交流電力系統(tǒng)相比，具有損耗低、并網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)今在美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已逐漸采用直流輸配電系統(tǒng)。另外，現(xiàn)代艦船、地鐵等獨(dú)立電力系統(tǒng)也越來(lái)越多地采用直流電力系統(tǒng)。為了限制不斷增大的短路電流，保護(hù)用電設(shè)備的安全，亟需研制限流能力更強(qiáng)、可靠性更高的直流限流斷路器。傳統(tǒng)機(jī)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(dǎo)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(yīng)用。
基于真空滅弧室強(qiáng)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?jǐn)嗄芰?qiáng)、觸頭燒損小、電氣壽命長(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)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(dāng)需要分?jǐn)鄷r(shí)，真空開(kāi)關(guān)首先打開(kāi)至額定開(kāi)距，之后脈沖強(qiáng)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(qiáng)的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)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(qiáng)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(qiáng)迫過(guò)零時(shí)存在反向恢復(fù)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(fù)電壓的沖擊而不重燃。但是由于機(jī)械觸頭運(yùn)動(dòng)速度的限制，要形成大開(kāi)距需要的觸頭運(yùn)動(dòng)時(shí)間也較長(zhǎng)，這會(huì)使電路關(guān)斷時(shí)機(jī)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(dǎo)致無(wú)法成功關(guān)斷。如文獻(xiàn)要求電路關(guān)斷時(shí)真空開(kāi)關(guān)必須達(dá)到8mm 觸頭開(kāi)距，假設(shè)觸頭運(yùn)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(dá)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(duì)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(jī)體積過(guò)大而不具經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。
為此本文提出一種在傳統(tǒng)強(qiáng)迫換流型斷路器的真空開(kāi)關(guān)兩端并聯(lián)反向的續(xù)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(qiáng)度恢復(fù)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?jǐn)嗄芰Α?/p>
2、新型強(qiáng)迫換流型真空直流限流斷路器
圖 1 所示為新型強(qiáng)迫換流型限流斷路器原理圖及直流系統(tǒng)的等效電路，其中Es 為直流電源，Rc和Lc 為線路電阻和電感，RL 和LL 則分別為負(fù)載電阻和負(fù)載電感。虛線框中所示為新型強(qiáng)迫換流型限流斷路器，與傳統(tǒng)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(xù)流二極管VD，這樣當(dāng)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(dǎo)通，主回路電流與反向關(guān)斷電流轉(zhuǎn)移至續(xù)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(duì)電容C 反向充電，真空開(kāi)關(guān)兩端開(kāi)始出現(xiàn)恢復(fù)電壓。
圖1 新型強(qiáng)迫換流型限流斷路器
圖2 所示為本文設(shè)計(jì)的額定1kV/400A 新型強(qiáng)迫換流型限流斷路器短路關(guān)斷的仿真結(jié)果，下面結(jié)合圖2 對(duì)斷路器關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)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(dāng)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(hào)，經(jīng)過(guò)一定的機(jī)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(dá)到最大值1.78kA。隨著關(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(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=422s 時(shí)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(dá)到壓敏電壓動(dòng)作的閾值，壓敏電阻開(kāi)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=530s 時(shí)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2kV。
圖2 真空直流限流斷路器短路關(guān)斷仿真結(jié)果
為了保證斷路器的高限流能力及分?jǐn)嗟目煽啃�，限流斷路器�?duì)各部件提出以下幾點(diǎn)要求：
(1)高速真空開(kāi)關(guān)應(yīng)具備高響應(yīng)速度，能夠在接到動(dòng)作信號(hào)后的幾百微秒內(nèi)使觸頭分離，同時(shí)應(yīng)具備高初始分離速度，在恢復(fù)電壓出現(xiàn)時(shí)形成盡量大的觸頭開(kāi)距。
(2)由強(qiáng)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(yīng)大于主回路電流，保證真空電弧電流過(guò)零熄滅。
(3)反并續(xù)流二極管的導(dǎo)通期間所形成的零電壓恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，真空介質(zhì)應(yīng)恢復(fù)至足夠的絕緣強(qiáng)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(duì)以上三個(gè)條件展開(kāi)新型強(qiáng)迫換流型限流斷路器的設(shè)計(jì)和分析。
7、結(jié)論
本文針對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)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(xù)流二極管，并在小間隙下開(kāi)斷短路電流的改進(jìn)方案。對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，得到了以下結(jié)論：
(1)通過(guò)在真空開(kāi)關(guān)兩端反向并聯(lián)續(xù)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(fù)時(shí)間，有利于真空介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)和電流的成功關(guān)斷。
(2)針對(duì)限流斷路器對(duì)真空開(kāi)關(guān)高響應(yīng)速度和高初始分離速度的要求，設(shè)計(jì)了基于電磁斥力原理的高速真空開(kāi)關(guān)，機(jī)械延時(shí)為75s，觸頭100s 后的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)2m/s。
(3)設(shè)計(jì)了等效介質(zhì)恢復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)50s 的零電壓介質(zhì)恢復(fù)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(qiáng)度恢復(fù)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(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，說(shuō)明分析正確，方案有效、可行。
