混合型中壓直流真空斷路器的分析

混合型中壓直流真空斷路器的分析提出了一種基于強(qiáng)迫換流原理的混合型中壓直流真空斷路器方案。闡述了關(guān)鍵部件如斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)增強(qiáng)通流能力和提高初始速度的方法，脈沖功率組件串聯(lián)應(yīng)用和提高浪涌通流技術(shù)，避雷器的技術(shù)要求及參數(shù)設(shè)計(jì)的原則，介紹了已開展的工作。對(duì)換流過程開展了理論分析，研制了額定5kV/6kA斷路器樣機(jī)，開展了系列實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析和參數(shù)選擇的有效性。

引言

隨著艦船綜合電力系統(tǒng)的提出，電力推進(jìn)方式和高能武器的出現(xiàn)，艦船電力系統(tǒng)發(fā)生革命性的變化，其地位從輔助系統(tǒng)變成主動(dòng)力系統(tǒng)，容量急劇增大。直流區(qū)域配電以其高效、靈活的優(yōu)點(diǎn)成為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的首選，艦船電力邁向中壓直流系統(tǒng)。艦船直流母線額定電壓可達(dá)5kV，額定電流可達(dá)6kA，故障時(shí)最大短路電流上升率將到達(dá)20A/μs以上，預(yù)期短路電流峰值時(shí)間2~5ms，峰值電流高達(dá)110kA。

現(xiàn)有的艦船直流保護(hù)設(shè)備均為低壓電器，不適用于中壓系統(tǒng)，無法為艦船的中壓直流電力系統(tǒng)提供有效保護(hù)，中壓直流斷路器的缺乏成為制約艦船直流電力系統(tǒng)進(jìn)入工程應(yīng)用的一個(gè)主要因素。基于強(qiáng)迫換流原理的混合型直流真空斷路器(HDCVB)是直流中高壓開斷的有效方式。俄羅斯全俄電力技術(shù)研究所研制了額定3.3kV/3000A直流真空限流斷路器，并開展了180A小電流、1.9kA近額定電流和10kA短路電流3種不同工況下的開斷實(shí)驗(yàn)。***交通大學(xué)研制的人工過零真空斷路器開展了4.1kA和29kA的分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)，但停留在實(shí)驗(yàn)室階段。上述成果難于滿足艦船中壓直流電力系統(tǒng)的參數(shù)要求。海軍工程大學(xué)提出了一種基于強(qiáng)迫過零原理的改良拓?fù)錁?gòu)造，并在低壓參數(shù)下對(duì)斷路器的設(shè)計(jì)、小開距下介質(zhì)恢復(fù)特性開展了實(shí)驗(yàn)研究，為研究混合型中壓直流真空斷路器奠定了根底。

筆者首先介紹基于強(qiáng)迫換流原理的混合型中壓直流真空斷路器方案，并對(duì)其關(guān)鍵部件斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)、脈沖功率組件及避雷器和換流過程開展了分析設(shè)計(jì)，最后給出了典型分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)。

1、混合型直流真空斷路器工作原理

混合型直流真空斷路器典型構(gòu)造見圖1，它由斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)(VI)、換流電路(C-F-L-D)和避雷器(MOA)并聯(lián)組成。

圖1HDCVB構(gòu)造示意圖

正常情況下，斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)，換流晶閘管組件處于關(guān)斷狀態(tài)，換流電容預(yù)充電。當(dāng)傳感器檢測(cè)到故障電流或控制器接到分閘指令后，立即觸發(fā)斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)觸頭分離(t1)，真空滅弧室觸頭分離形成真空電弧，觸頭間產(chǎn)生弧壓。當(dāng)觸頭間隙形成足夠的開距或延遲一定的時(shí)間后(t2)，控制器向晶閘管組件F發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，主回路電流i開始向換流支路轉(zhuǎn)移，換流電容C的放電電流iC一部分可能會(huì)從二極管D上流過，VI支路電流iVI將逐漸減小直至過零熄弧(t3)。換流電流大于主回路電流部分將流過二極管支路(t3~t4)。當(dāng)iD過零D截止后，主回路電流全部轉(zhuǎn)移到C-F-L支路上(t4)，同時(shí)，斷路器兩端出現(xiàn)正向過電壓。當(dāng)換流電容反充電壓大于MOA動(dòng)作電壓后(t5)，電流向MOA支路轉(zhuǎn)移，MOA開始限壓吸能。隨著F電流減小到零后截止關(guān)斷，短路電流全部轉(zhuǎn)移到MOA上(t6)，系統(tǒng)感抗中存儲(chǔ)的能量被MOA吸收耗散(t6~t7)，最終電流減小到零被切斷，分?jǐn)噙^程結(jié)束(t7)，見圖2。

圖2HDCVB分?jǐn)噙^程示意圖

斥力真空觸頭機(jī)構(gòu)VI上并聯(lián)二極管組件D使分?jǐn)噙^程中恢復(fù)過電壓出現(xiàn)的時(shí)刻后移，為觸頭電流過零后動(dòng)靜觸頭間介質(zhì)恢復(fù)創(chuàng)造了近似零電壓的恢復(fù)過程，增強(qiáng)了觸頭間隙后續(xù)承受恢復(fù)電壓的能力，提高了分?jǐn)嗫煽啃浴Ｔ陔姼蠰兩端并聯(lián)續(xù)流二極管的目的是為了減小晶閘管組件通過浪涌電流后截止時(shí)的du/dt和降低電容反充電壓幅值?；趶?qiáng)迫換流原理的HDCVB通流能力強(qiáng)，分?jǐn)嚯娏鞲?，且分?jǐn)鄷r(shí)間短，限流效果和工程適用性好。

5、結(jié)語

混合型中壓直流真空斷路器方案，原理簡(jiǎn)單、分?jǐn)嗨俣瓤?、可靠性高，可以?shí)現(xiàn)大容量中壓直流分?jǐn)?，基于斥力原理的真空觸頭機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)額定電流通流和快速動(dòng)作的功能;中壓脈沖功率組件均壓措施改善了串聯(lián)應(yīng)用的分壓特性，采用擴(kuò)大門極和強(qiáng)觸發(fā)可有效提高浪涌通流能力，光控觸發(fā)的方案實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，節(jié)約了觸發(fā)電源;避雷器的能量等效性原則和參數(shù)設(shè)計(jì)方法等為中