高銀銀，方雨菡

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 引言

近年來，隨著科技的進(jìn)步，作為解決高電壓、大容量、長距離送電和異步聯(lián)網(wǎng)重要手段的直流輸電技術(shù)正越來越受到廣泛的應(yīng)用。相比交流輸電，直流輸電有較好的經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)越的運(yùn)行特性。為了增加直流輸電的靈活性、多樣性，人們希望采用多端直流輸電系統(tǒng)，直流斷路器成為直流電力系統(tǒng)的“瓶頸”問題［1］。直流電流的開斷不像交流電流那樣可以利用交流電流的過零點，直流斷路器的主要問題就是沒有可直接熄滅電弧的電流零點。因此，直流開斷最重要的問題，是要采取有效措施讓開斷直流電流必須創(chuàng)造過零點，使電弧電流減小到零，以致熄滅電弧。

真空斷路器起初由英國和美國進(jìn)行開發(fā)，隨后日本、西德也進(jìn)行開發(fā)研究，在這些國家的配電系統(tǒng)中運(yùn)行。國內(nèi)真空斷路器行業(yè)相對國外來說起步比較晚，但是自真空開關(guān)60年代初進(jìn)入電力系統(tǒng)以來，已有40多年的歷史。直流斷路器的主要問題就是沒有可直接熄滅電弧的電流零點。因此，要采取有效方案使電弧電流減小到零，以致熄滅電弧，對開關(guān)電器進(jìn)行保護(hù)。目前對直流斷路器滅弧方案的研究已引起國內(nèi)外的高度重視，歐美各國、日本的直流系統(tǒng)和電力部門的研究所及高等院校均設(shè)置了相關(guān)機(jī)構(gòu)從事這方面的研究［2］。

2 直流高速斷路器熄滅電弧方案

國內(nèi)外采用的直流高速斷路器熄滅電弧方案基本可以歸納為:反向電壓法、電流轉(zhuǎn)換法、自激振蕩法和電流轉(zhuǎn)移原理的方法。

2.1 反向電壓法［3，4］

由電弧方程可知，如果電弧電壓高于系統(tǒng)電壓時，電弧就可以熄滅，這就是反向電壓法。這種滅弧方式一般用于早期的低壓直流斷路器，靠在觸頭分?jǐn)鄷r滅弧室強(qiáng)烈的冷卻作用來消除電弧能量，使電弧電壓得到提高，從而達(dá)到熄弧的目的。

但這種切斷原理上說不可避免地存在著觸頭與滅弧柵的損耗，而為了維持其可靠性，則需要頻繁地進(jìn)行維護(hù)與檢查。此外，由于需要大的電弧間隙和飛弧距離而難于小型化。

2.2 電流轉(zhuǎn)換法［5］

在一般的使用場合，大部分系統(tǒng)殘余能量是靠將電流轉(zhuǎn)換至電阻或電容器中耗散的，少部分能量則借助燃弧來耗散。為了切斷直流電弧，在直流斷路器的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了一類分段限流式直流斷路器，它是先對直流進(jìn)行限流，然后開斷。即在發(fā)生故障時，利用各種手段來實現(xiàn)限流，比如在線路中串聯(lián)一定量的電感，或在分?jǐn)鄷r在電路中串有一定量的電阻來限流。但其動作時間長，開斷電流小。

2.3 自激振蕩法［6］

自激振蕩法由L-C電路及電弧本身組成的振蕩回路的高頻振蕩電流來建立電流零點。這種振蕩主要取決于電弧的安秒特性。但此類高壓斷路器的分?jǐn)嗄芰Σ皇呛芨?，而且價格也比較昂貴。因此在實際應(yīng)用中受到很大的限制。

2.4 電流轉(zhuǎn)移法［4，7－14］

由于直流電弧沒有自然零點，分?jǐn)鄷r需在直流上迭加交流，產(chǎn)生電流過零點，實現(xiàn)開斷，也就是所謂的電流轉(zhuǎn)移原理。即電流轉(zhuǎn)移法就是利用預(yù)充電的電容器通過電感放電產(chǎn)生一個高頻反向電流，疊加在直流斷路器上，從而達(dá)到建立電流零點的目的。圖1所示為典型的電流轉(zhuǎn)移原理示意圖，圖中電容器C預(yù)充有一定等級的電壓，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時，滅弧室CB1分?jǐn)?，同時CB2閉合，使預(yù)充電的電容器C經(jīng)滅弧定CB1放電。此時電流I2的正半波的方向與I1相反，并迫使流過CB1的電流為零，使CB1得到了較好的開斷機(jī)會。

圖1 電流轉(zhuǎn)移原理圖

電流轉(zhuǎn)移原理是近年來較受關(guān)注的一種滅弧方式，它主要用來開斷大電流且成功率較高。

3 仿真分析

由圖1中示，結(jié)合某船用直流系統(tǒng)保護(hù)斷路器對圖2系統(tǒng)發(fā)生短路時電路進(jìn)行仿真分析。

其技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)為［1］:

額定工作電壓:DC1500V;

額定工作電流:4000A;

最大預(yù)期短路電流:60kA;

最大短路電流上升率:3000A/ms。

圖2 系統(tǒng)發(fā)生短路示意圖

圖2為直流工作系統(tǒng)發(fā)生短路的示意圖，此時主斷路器CB1已接到命令開始分閘，產(chǎn)生電弧，并且觸頭分開到一定的開距，系統(tǒng)中的短路電流快速上升?？刂葡到y(tǒng)同時發(fā)出指令閉合CB2，引入轉(zhuǎn)移電流，促使CB1中電流過零，并且在某時刻熄滅電弧。針對以上各階段，用等效電路做如下分析。

(1)t=0時，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，此時其等效電路如圖3所示，屬于一階全響應(yīng)電路。

圖3 發(fā)生短路時刻等效電路圖

當(dāng)短路發(fā)生1ms后，故障電流的表達(dá)式為:

其短路波形仿真圖如圖4所示。

(2)在t=t1時刻，斷路器CB2閉合，引入轉(zhuǎn)移電流，此時等效電路如圖5所示。

圖4 直流系統(tǒng)短路波形仿真圖

圖5 轉(zhuǎn)移電流投入時刻等效圖

在t1時刻，設(shè)短路電流上升至I2時，閉合CB2，此時電路屬于二階零輸入響應(yīng)。

解上面二階常系數(shù)齊次線性微分方程，由于R2＜，所以此二階零輸入問題的解是一種欠阻尼衰減振蕩情況。

又

得

此時通過主斷路器CB1中的電流為:

當(dāng)短路發(fā)生到一定時刻，見圖4所示，在6ms左右引入轉(zhuǎn)移電流，此時在轉(zhuǎn)移回路當(dāng)中形成振，可得流過CB2的電流波形如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)移電流振蕩波形

圖7 轉(zhuǎn)移電流投入后的振蕩波形

由圖6可見，轉(zhuǎn)移振蕩電流在第一波峰處超過20kA，在此時刻，它與直流系統(tǒng)短路上升電流反向相疊加，就可以迫使電流過零，仿真如圖7所示。

(3)在t=t2時刻，斷路器CB1熄滅電弧，將轉(zhuǎn)移回路串入系統(tǒng)中，此時等效電路如圖8所示。

圖8 電弧熄滅后系統(tǒng)等效原理圖

根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍?，電路中全部電感中總磁鏈保持不?

即:

且換路后，

此時線路中電感值對弧后電流的影響如圖9所示。

為了減小振蕩電流對斷路器的影響，必須采取措施，采用ZnO避雷器來消除電感中的能量［15－17］，如圖10所示。進(jìn)一步切斷電路中的剩余電流等。

由圖10，得知ZnO非線性電阻的最大特點是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閥值“UN”時，流過它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門，當(dāng)電壓超過UN時，流過它的電流激增，相當(dāng)于閥門打開。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護(hù)電路免受過電壓的損害。

4 對整體電路分析

對三個階段整體分析。系統(tǒng)建模如圖11，選參數(shù)L2=11.25H，C=2000μF。

圖11 系統(tǒng)建模圖

圖12 I1短路波波形仿真圖

圖13 I2震蕩波形仿真圖

仿真分析如圖12，圖13。仿真結(jié)果說明采用電流轉(zhuǎn)移原理的直流高速真空斷路器能有效抑制電弧的產(chǎn)生，并產(chǎn)生電流人工過零點。另外，在實際的直流系統(tǒng)中，線路的電感值是很大的，可能會高達(dá)毫亨量級。這樣可能是一個幅值較大的交流電流，這對系統(tǒng)來說也是一個較大的威脅。所以采用ZnO避雷器措施能進(jìn)一步切斷電路中的剩余電流。

5 結(jié)論

通過介紹幾種典型直流斷路器滅弧方案的原理，本文主要對選用電流轉(zhuǎn)移電路及轉(zhuǎn)移原理進(jìn)行分析與仿真研究，對其分?jǐn)喙收想娏鞯娜齻€階段及整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行理論分析與Matlab建模仿真。結(jié)合具體船用直流系統(tǒng)，仿真分析得出采用電流轉(zhuǎn)移滅弧方案的直流高速真空斷路器可以成功地實現(xiàn)故障電流的分?jǐn)?，隨著我國電力工業(yè)發(fā)展，在實際應(yīng)用中具有一定的意義。

［1］董恩源.基于電子操動的快速直流斷路器的研究［D］.大連理工大學(xué)，2004.

［2］繆云青.基于開關(guān)電源的地鐵雜散電流自動檢測和動態(tài)補(bǔ)償裝置［D］.首都師范大學(xué)，2006.

［3］董恩源，叢吉遠(yuǎn)，鄒積巖，等.1500V船用新型直流斷路器的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24(5):153 －156.

［4］烏爾曼.直流輸電［M］.北京:科學(xué)出版社，1983.

［5］浙江大學(xué)發(fā)電教研組直流輸電科研組.直流輸電［M］.北京:電力工業(yè)出版社，1982.

［6］Lee A，Slade PG，Yoon KH，et al.The Development of a HVDC SF6Breaker［J］.IEEE Trans.on Power Apparatus and Systems，1985，104(10):2721－2729.

［7］Sakai M，Kato Y，Tokuyama S，et al.Development and Field Application of Metallic Return Protecting Breaker for HVDC Transmission［J］.IEEE Trans.on Power Apparatus and Systems，100(12):4860 －4868.

［8］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［9］阿津萊加.高壓直流輸電［M］.重慶:重慶交通大學(xué)出版社，1987.

［10］DagAndersson，Anders Henriksson.Passive and Active DC Breakers in the Three-Gorges-Changzhou HVDC Project［C］.Icps 2001 Conference，Wuhan，China，2001.

［11］Tokuyama S，Arimatsu K，Yoshioka Y，et al.Development and Interruting Test on 250kV/8kA HVDC Circuit Breaker［J］.IEEE Trans.on powerApparatus and Systems，1985，104(9):2453 －2459.

［12］李天和.大功率開關(guān)裝置的物理基礎(chǔ)與工程應(yīng)用［M］.北京:電力工業(yè)出版社，1982.

［13］Greenwood A N，Barkan P，Kracht W C.HVDC Vacuum Circuit Breaker［J］.IEEE Trans.on Power Apparatus and Systems，1972(92):1575 －1588.

［14］Darwish HA，Izzularab MA，Elkalashy NI.Real-time Testing of HVDC Circuit Breakers Part I:Bench Test Development［C］.ICEEC'04，Cairo，Egypt，2004.

［15］Krause Ch，et al.Testing of mo-surge arresters for application in HVDC-system.6th ISH New Orleans-LA USA Aug.26，1959.5.

［16］孫業(yè)武.金屬氧化物避雷器限制10kV電容器組操作過電壓的研究［J］.中國電力，1995.5.

［17］黃艷.氧化鋅避雷器限制操作過電壓研究［J］.高電壓技術(shù)，1997，3:80 －82.