施 源

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

軌道交通、遠距離直流高壓輸電系統(tǒng)、可再生能源直流微電網(wǎng)等直流電力系統(tǒng)發(fā)展迅猛，直流斷路器作為直流電網(wǎng)安全運行和保護的關(guān)鍵設(shè)備，其性能是制約直流系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]?；趶娖葥Q流原理的混合式限流直流斷路器具有通流能力和分斷能力強的優(yōu)點，已成為直流開斷技術(shù)的重要發(fā)展方向[2-3]。

混合式限流直流斷路器一般由分斷開關(guān)與隔離開關(guān)兩部分串聯(lián)組成，分斷開關(guān)通常由三條回路并聯(lián)組成，這三條回路為正常通流回路、強迫換流回路和限壓吸能回路。

電路參數(shù)設(shè)計是短路電流能否迅速換流的關(guān)鍵[4]，無法換流或換流速度過慢都會造成短路電流分斷失敗。強迫換流回路的電路拓撲與參數(shù)設(shè)計一直都是混合式限流直流斷路器設(shè)計的重點。

雜散電感是由電路中的導(dǎo)體，如連接導(dǎo)線、元件引線、元件本體等呈現(xiàn)出來的等效電感。大容量電力電子變換器對絕緣、耐壓和散熱的要求越來越高，從而使電路越來越復(fù)雜，雜散電感越來越大，對開關(guān)器件的影響也必然越來越大。

2 混合式限流直流斷路器分斷原理

混合式限流直流斷路器主電路如圖1所示，由高速電磁斥力機構(gòu)SW、強迫換流回路和非線性氧化物金屬電阻MOV三部分并聯(lián)而成[5]。圖2所示為混合式限流直流斷路器仿真波形，額定電流為450A，應(yīng)能分斷峰值為20kA的短路電流。短路故障快速檢測系統(tǒng)配合高速機構(gòu)可以在短路電流不到4kA時就開始強迫換流，短路電流不超過 6kA 便已開始減小。系統(tǒng)正常運行時，電流全部從SW上流過。當(dāng)發(fā)生短路故障時，斷路器的短路早期檢測單元檢測到短路故障，并立即向SW發(fā)出關(guān)斷信號。經(jīng)過一定時間的延遲響應(yīng)，SW觸頭斷開并產(chǎn)生電弧，晶閘管T在燃弧后的很短時間內(nèi)被觸發(fā)導(dǎo)通，強迫換流回路的電容放電，與SW的電流對沖，實現(xiàn)強迫換流[6-10]。隨后，電容通過二極管D1繼續(xù)放電，此時SW觸頭兩端有一段時間處于零電壓狀態(tài)，有利于SW觸頭介質(zhì)的恢復(fù)。電容放電完成后，被反向充電，電容反向電壓不斷升高，形成過電壓，主回路電流開始減小。當(dāng)觸頭兩端電壓達到MOV的壓敏電壓值時，MOV導(dǎo)通并開始吸收回路中剩余的能量。最后，剩余能量全部由MOV吸收，主回路電流關(guān)斷。

圖1 混合式限流直流斷路器主電路

圖2 混合式限流直流斷路器仿真波形

3 強迫換流回路雜散電感影響

在強迫換流回路中，電感L參數(shù)的設(shè)計需要綜合考慮多方面因素。由于電感的基本作用是抑制電流過快變化，太大的電感值會使強迫換流回路的電流上升速率變慢，無法較快與短路電流形成對沖。電感值過小，則會導(dǎo)致電容放電的峰值電流很高，對電力電子器件形成嚴(yán)峻考驗。

圖3 強迫換流回路雜散電感影響仿真波形

由圖3可以看出，強迫換流回路雜散電感對短路電流的換流過程影響不大，具體而言，雜散電感的加入會使流過SW觸頭的電流換流至0的時間略有延長，但對于設(shè)計留有余量的換流回路而言基本沒有影響，短路電流完全可以換流。因此，強迫換流回路雜散電感對斷路器短路電流分斷能力幾乎沒有影響。

4 強迫換流回路與主回路間雜散電感影響

圖4 強迫換流回路與主回路間雜散電感影響仿真波形

由圖4可知，當(dāng)強迫換流回路電容開始放電時，由于雜散電感的作用，原本因觸頭弧壓而截止的D1在電容開始放電時便已經(jīng)導(dǎo)通，電容放電的電流有相當(dāng)一部分從D1中流過，使經(jīng)過SW觸頭和短路電流對沖的電流不足，這樣直到電容電流第二次和短路電流相等時，過SW觸頭的電流依然沒有換流至0，分斷失敗?？梢姡瑥娖葥Q流回路與主回路間雜散電感對斷路器短路電流分斷能力有非常顯著的影響。為確保短路電流成功分斷，在設(shè)計強迫換流回路參數(shù)的同時，要使強迫換流回路與主回路之間的雜散電感盡可能小，即導(dǎo)線要盡可能短。

5 限壓吸能回路雜散電感影響

限壓吸能回路利用MOV的特性設(shè)計而成，MOV在低于閾值電壓時電阻很大，達到閾值電壓后電阻會隨電壓的上升而急劇減小，此時MOV開始吸收分斷過程中的系統(tǒng)儲能，強迫換流回路電流逐漸減小至0。隨著系統(tǒng)儲能被MOV耗散掉，主回路電流減小至0。

圖5 限壓吸能回路雜散電感影響仿真波形

由圖5可見，加入雜散電感前后仿真結(jié)果基本一致，這是由于MOV吸能換流過程發(fā)生在SW觸頭電流已經(jīng)過0之后，因此限壓吸能回路雜散電感對斷路器短路電流分斷能力沒有影響。MOV剛導(dǎo)通時電流很小，此時線路電感也不會造成影響。

6 結(jié)束語

通過分析強迫換流回路、強迫換流回路與主回路間，以及限壓吸能回路雜散電感對混合式限流直流斷路器的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 強迫換流回路雜散電感會使過SW觸頭電流換流至0的時間略有延長，但對于設(shè)計留有余量的換流回路而言，基本沒有影響，短路電流完全可以分斷；

(2) 強迫換流回路與主回路間雜散電感對SW觸頭換流影響很大，在線路設(shè)計雜散電感參數(shù)時需要重點考慮；

(3) 限壓吸能回路雜散電感對混合式限流直流斷路器性能幾乎沒有影響。

鑒于上述仿真分析結(jié)論，在實際工程設(shè)計時，在工況條件允許的情況下，混合式限流直流斷路器中各元器件及接線應(yīng)合理排布，導(dǎo)線應(yīng)盡可能短，從而使強迫換流回路與主回路間雜散電感盡可能小。只有這樣，設(shè)計出的混合式限流直流斷路器才能具有預(yù)期的短路電流分斷能力。

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