雙向非一致混合型真空直流斷路器的分析與設(shè)計

1、雙向非一致混合型真空直流斷路器的分析與設(shè)計 針對現(xiàn)代艦船直流電力系統(tǒng)交流整流發(fā)電機保護面臨的斷路器發(fā)電機側(cè)短路時需瞬時分斷高上升率短路電流，以及斷路器電網(wǎng)側(cè)短路時需短延時后分斷短路電流的要求不同這一問題，提出了一種雙向非一致混合型真空直流斷路器的拓撲構(gòu)造。采用強迫換流關(guān)斷原理關(guān)斷發(fā)電機側(cè)短路時高上升率的短路電流，采用自然換流關(guān)斷原理實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)短路時短延時保護以及正常工作電流的分斷。對斷路器關(guān)斷的3個換流過程開展分析，得到了該拓撲構(gòu)造的最正確連接形式，該連接形式下正、反向關(guān)斷電流的利用率分別為100%和83%。設(shè)計了1kV/2.5kA 斷路器樣機，并開展了正、反向關(guān)斷試驗，實現(xiàn)了正向8kA 的自

2、然換流關(guān)斷和反向初始上升率為20A/s 的短路電流強迫換流關(guān)斷。試驗結(jié)果說明，所提出方案是有效、可行的，所做的分析準確、可信。 引言 現(xiàn)代艦船直流電力系統(tǒng)中電源主要由多相交流發(fā)電機整流而成，并通過固態(tài)逆變器向負載供電，如圖1 所示。這種系統(tǒng)的特點是線路阻抗小、短路時間常數(shù)小、供電連續(xù)性要求高。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電機側(cè)發(fā)生短路故障(f2)時，要求發(fā)電機保護斷路器瞬時動作，而當(dāng)電網(wǎng)側(cè)短路(f1 或f3)時，發(fā)電機保護斷路器應(yīng)先耐受發(fā)電機短路電流的沖擊，之后再根據(jù)需要分斷發(fā)電機短路電流。發(fā)電機保護開關(guān)的這種保護要求與傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)保護要求相比，內(nèi)部短路時關(guān)斷的電流上升率更高、整定時間更短，而外部短路時需耐受

3、大峰值的短路電流后再延時關(guān)斷大電流，具備相應(yīng)功能和關(guān)斷能力的斷路器的研制難度顯著增加。 圖1 現(xiàn)代艦船直流電力系統(tǒng)示意圖 近年來，一種將機械開關(guān)和固態(tài)開關(guān)相結(jié)合的混合型斷路器由于在關(guān)斷直流電流時表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，而得到迅速發(fā)展。按照關(guān)斷原理，混合型斷路器可分為自然換流型和強迫換流型兩種。自然換流型斷路器構(gòu)造簡單、控制方便，但是這種關(guān)斷方案受電弧電壓和支路電感的影響，換流速度慢，當(dāng)關(guān)斷電流的上升率較大時難以滿足限流和快速性要求，一般應(yīng)用于無限流要求的場合，如瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院研制的1500V/4kA 混合型直流斷路器和荷蘭Delft 大學(xué)設(shè)計的600V/6kA 合型直流開關(guān)。強迫換流型斷路器可以實

4、現(xiàn)高電流變化率的換流，不需考慮換流支路電感的影響，設(shè)計上自由度較大，但由于強迫換流型斷路器需要額外的反向脈沖電流支路及相應(yīng)的充電電路，其體積大、構(gòu)造復(fù)雜。其次，采用強迫換流的方案，對機械觸頭在電流過零點的介質(zhì)恢復(fù)能力要求高，需要機械觸頭有較快的響應(yīng)速度和初始分閘速度。 目前，強迫換流型斷路器能夠關(guān)斷短路電流的最大上升率多數(shù)在10A/s 以下，如*理工大學(xué)研制的額定1500V/4000A 直流斷路器關(guān)斷的短路電流上升率為3A/s，*交通大學(xué)研制的強迫換流型斷路器關(guān)斷短路電流的上升率約為8A/s。在已有文獻中能夠?qū)崿F(xiàn)約20A/s 短路電流關(guān)斷的只有海軍工程大學(xué)研制應(yīng)用于艦船低壓直流電力系統(tǒng)的基于空

5、氣高速觸頭機構(gòu)的單向混合式直流限流斷路器；但該斷路器采用空氣式高速觸頭機構(gòu)，額定電壓只有320V，且該斷路只開展單向短路分斷。當(dāng)其用于發(fā)電機保護開關(guān)開展雙向關(guān)斷時，必須兼顧兩個方向的關(guān)斷電流要求，所需關(guān)斷電流的峰值將成倍提高，使斷路器設(shè)計和實現(xiàn)的難度顯著增加。 本文針對現(xiàn)代艦船直流電力系統(tǒng)整流發(fā)電機保護所面臨的問題，將自然換流關(guān)斷和強迫換流關(guān)斷有機結(jié)合在一起，提出一種雙向非一致混合型真空直流斷路器構(gòu)造方案。在發(fā)電機側(cè)短路時采用強迫換流關(guān)斷原理，可關(guān)斷初始上升率為20A/s 的短路電流;而在電網(wǎng)側(cè)短路時，斷路器耐受短路電流沖擊，并在短延時后采用自然換流關(guān)斷原理關(guān)斷故障電流。真空技術(shù)網(wǎng)(http:

6、/)認為這種關(guān)斷方案既提高斷路器的可靠性、減小了體積，同時降低了斷路器的成本。 1、工作原理 圖2 所示為雙向非一致混合型真空直流斷路器方案拓撲構(gòu)造，它由高速真空開關(guān)VI、固態(tài)關(guān)斷電路和吸能壓敏電阻MOV 組成。正常工作時，電流從真空開關(guān)滅弧室流過，關(guān)斷時固態(tài)關(guān)斷電路起作用，實現(xiàn)真空滅弧室電流的自然換流關(guān)斷和強迫換流關(guān)斷。壓敏電阻MOV 用于限制關(guān)斷時斷路器的過電壓峰值，吸收電路中剩余的能量。 圖2 雙向非一致混合型真空直流斷路器拓撲構(gòu)造 圖3(a)為正向自然換流關(guān)斷時投入工作的電路，分斷電流時首先打開真空開關(guān)VI，在真空開關(guān)起弧前向晶閘管F0 發(fā)出導(dǎo)通信號;真空開關(guān)打開之后，在電弧電壓的作用

7、下，真空開關(guān)支路上的電流向并聯(lián)支路F0、D2 上轉(zhuǎn)移，經(jīng)過一定時間后真空開關(guān)支路上電流完全轉(zhuǎn)移至并聯(lián)支路，此時真空滅弧室進入零電壓介質(zhì)恢復(fù)階段，F(xiàn)0、D2 繼續(xù)導(dǎo)通一段時間保證真空滅弧室介質(zhì)強度可靠恢復(fù)。之后導(dǎo)通晶閘管F1，預(yù)先充電的電容C 向F0 發(fā)出反向電流，使F0 上電流下降并過零，之后反向流從D1 上流過給F0 提供一定的恢復(fù)時間，回路中剩余的能量由電容C 與壓敏電阻MOV 共同吸收。在正向關(guān)斷電路的設(shè)計中，應(yīng)使關(guān)斷電流的全部或大部分從F0支路流過，以提高關(guān)斷電流的利用率。 圖3 雙向非一致混合型真空直流斷路器正反向關(guān)斷原理 圖3(b)為反向強迫換流關(guān)斷時投入工作的電路，分斷時首先給真

8、空開關(guān)VI 動作信號，真空開關(guān)起弧后立即導(dǎo)通晶閘管F2，預(yù)先充電的電容C 經(jīng)二極管D1 向真空開關(guān)VI 發(fā)出反向電流，使VI 上電流下降并過零，之后反向電流從D2 上流過，給VI 提供一定的恢復(fù)時間。在反向關(guān)斷電路的設(shè)計中，可通過電路構(gòu)造參數(shù)設(shè)計使關(guān)斷電流絕大部分首先經(jīng)D1 支路流向真空開關(guān)，以提高關(guān)斷電流的利用效率。 雙向非一致混合型真空直流斷路器正、反向關(guān)斷時，包含了真空滅弧室向固態(tài)電路自然換流、關(guān)斷電流向晶閘管支路強迫換流和關(guān)斷電流向真空開關(guān)支路強迫換流等過程。這些換流過程與各支路的參數(shù)密切相關(guān)，在斷路器構(gòu)造設(shè)計時應(yīng)充分考慮構(gòu)造參數(shù)對換流的影響，最大限度提高電路的工作效率。 下文將對以上提到 3 個換流過程開展分析，為了分析方便，分析過程中忽略支路電阻的影響，同時將電弧電壓、晶閘管管壓降、二極管管壓降等效為恒壓源。 4、結(jié)論 1)提出一種雙向非一致混合型真空直流斷路器的拓撲構(gòu)造，當(dāng)系統(tǒng)中斷路器的發(fā)電機側(cè)發(fā)生短路故障分斷時采用強迫換流關(guān)斷原理，可現(xiàn)實初始上升率為20A/s 以上的短路電流限流分斷;而當(dāng)電網(wǎng)側(cè)短路分斷或正常工作電流的分斷時，采用自然換流關(guān)斷原理關(guān)斷電流，既提高斷路器的可靠性、減小了體積，同時降低了斷路器的成本。 2)分析了斷路器構(gòu)造參數(shù)對3 種換流過程的影響，基于此確定了1kV/2.5 kA 樣機固態(tài)電路的最正確連接方式，在該連接方式下正向關(guān)斷時，關(guān)