一種新型混合式直流限流斷路器的原理與驗證

王云河

（海軍駐七一二所軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

到目前為止，機械式斷路器依然是中高壓電力系統中應用的最廣泛的保護設備。然而，這種依靠熄弧方式實現電路分斷的斷路器在系統應用中暴露出了許多問題，影響電力系統的安全可靠運行。

得益于大功率半導體器件的飛速發展，使用半導體器件替代斷路器中的機械部分成為了可能。盡管這種基于半導體器件的固態斷路器具備了無弧、快速的優良分斷性能[1]，但是因半導體器件的通態損耗較大，阻礙了固態斷路器的發展。

混合式斷路器將快速機械開關和半導體器件集成在一起，利用機械開關導通正常負載電流以降低通態損耗，利用與之并聯的半導體器件實現電流的快速分斷，將二者的優點結合起來，同時避免了各自的缺點，具有良好的發展前景[2]。圖1所示的基于IGCT的零電壓混合式斷路器已經在中低壓系統進行了成功的應用[3]。但是受制于功率半導體器件有限的電壓電流等級，要想進一步提高斷路器的容量，需要將半導體器件進行串并聯應用，然而這種應用還有很多技術難題有待解決。

圖1 基于IGCT的零電壓開關

鑒于此，本文介紹了一種基于IGCT和晶閘管的新型混合式限流分斷方案，能顯著提高設備的容量和電壓等級。

1 新型混合式限流斷路器

1.1 拓撲結構

新型混合式限流斷路器的主要設計思想是將快速機械開關和功率半導體器件串聯起來共同承擔電壓，并利用半導體器件關斷時在壓敏電阻上產生的過電壓來實現電流的迅速轉移，最終達到無弧快速限流分斷的目的。拓撲結構如圖2所示，主要由5個單元組成。

1） 主開關單元由快速機械開關S構成，要求其通態損耗極小，并能在斷路器分斷電路后，承受全部的系統電壓。

2） 串聯換流單元由大功率半導體器件 IGCT和與之并聯的壓敏電阻MOV構成，用以向主電流通路中插入高值阻抗，并迫使電流向并聯換流單元轉移。IGCT因其優良的硬關斷能力和相對較小的通態壓降而成為本方案中的理想選擇。MOV將IGCT的關斷過電壓鉗制在其安全范圍以內，并聯換流回路以此電壓為激勵，實現電流的快速轉移。

3） 并聯換流單元由大功率晶閘管T構成，在主開關S可靠分斷之前，提供電流通路，S分斷之后，分斷電流。

4） 限流單元由限流電感 L和限流電阻 R構成，L一方面用來產生高頻振蕩電流，為晶閘管的關斷提供電流零點，另一方面限制晶閘管中的電流上升率di/dt。R將系統短路故障電流限制在一定水平，以滿足系統選擇性保護的要求。

5） 儲能單元由脈沖電容器 C構成，在產生高頻振蕩電流關斷晶閘管的過程中，吸收系統短路故障時線路電感中存儲的能量。

圖2 新型混合式限流斷路器拓撲

如果方案中沒有限流電阻 R，那么它就是一個快速斷路器，將在晶閘管T電流過零關斷后完成電路的分斷。如果將R投入，它將作為限流器限制系統短路電流，并與配套的斷路器一起保護系統安全。

1.2 工作原理

1） 在系統正常工作狀態時，開關 S閉合，IGCT導通，負載電流從S和IGCT中流過。

2） 當系統出現短路故障時，同時發出IGCT關斷信號、開關S分斷信號和晶閘管T開通信號。

3） IGCT經過幾個微秒延時后進入電流下降階段，系統電流迅速轉移至壓敏電阻MOV當中，器件兩端的電壓被壓敏電阻MOV限制在飽和值U0，在電壓U0的作用下，晶閘管 T正偏導通，LC強迫換流回路迫使電流迅速從主開關單元向并聯換流單元轉移。

4） 在機械開關S電流減小到零以后，觸頭才會開始分離，從而實現零電流分斷，分斷過程沒有電弧產生。

5） 此后，LC換流回路串入系統工作，電容C吸收系統電感中存儲的能量，當能量完全轉移至C中以后，電容電壓達到最大，系統電流減小為零，晶閘管T自然關斷，斷路器分斷過程結束。

6） 若將限流電阻R投入，那么在電流轉移至并聯換流單元以后，隨著電容電壓的不斷增加，系統電流將逐漸從電容C轉移至電阻R當中，并最終達到穩態值US/（R+RS）（其中US為系統母線電壓，RS為等效線路電阻），實現限制短路電流的目的。

1.3 與傳統混合式斷路器比較

從上述分析不難發現，新型混合式限流斷路器由半導體器件IGCT和機械開關S共同承受電壓，巧妙利用IGCT關斷時壓敏電阻的鉗位電壓來激勵 LC強迫換流回路完成電流的轉移，具有如下優點：

1） 能顯著提高斷路器的容量和電壓等級。

2） 與傳統的零電流開關相比，不必再為電容C進行預充電，省去了復雜的充電電路。

3） 與傳統的零電壓開關相比，不再依靠電弧壓降來實現電流轉移，電流的轉移過程更加迅速。

2 仿真驗證

為了對限流斷路器的工作過程進行驗證，本文在Matlab/Simulink中建立了系統仿真模型。仿真參數為：系統電壓US=5000 V，線路電感LS=150 μH，線路電阻RS=40 mΩ，換流電感L=15 μH，儲能電容C=100 μF，限流電阻R=1 Ω，壓敏電阻殘壓U0=3000 V。快速分斷仿真結果如圖3所示，限流仿真結果如圖4所示。

從圖中可以看出，系統發生短路故障后，當短路電流上升到約3500 A時，同時發出IGCT關斷信號、S分斷信號和晶閘管開通信號，MOV將IGCT關斷過電壓鉗制在3000 V左右，并靠此電壓迫使 S中電流向晶閘管中轉移；大約經過 20 μs，電流完全轉移至晶閘管當中，因為實際的 S最快也需要 100 μs才能進入觸頭的有效分離階段，因此能真正實現機械開關的無弧分斷。

在沒有限流電阻R時，當電流完全轉移至晶閘管中后，晶閘管隨著二階電路振蕩電流過零而關斷，至此分斷過程結束。整個分斷過程用時約400 μs，系統出現的短路電流峰值僅有5100 A，電容C因吸收能量而使電壓達到了11.3 kV。

有限流電阻R時，當電流完全轉移至晶閘管中后，二階電路經過一個暫態過程，將系統短路電流穩定在了約5000 A。整個限流過程用時大約1 ms，系統出現的短路電流峰值約為5900 A，電容電壓峰值約為5500 V。

圖3 快速分斷仿真結果

3 結論

基于大功率半導體器件實現的混合式斷路器為電力系統提供了全新的保護理念，然而受半導體器件功率等級所限，傳統的混合式斷路器很難進一步提高電壓電流等級。本文研究的新型混合式斷路器利用 IGCT和機械開關共同承受電壓，能顯著提高設備容量和電壓等級，并能真正實現機械開關的無弧分斷。快速分斷仿真結果表明，斷路器能在400 μs時間內完成電路分斷，并將短路電流峰值限制在5100 A。限流仿真結果表明，限流器能在1 ms時間內將短路電流限制在穩定值5000 A，限流過程出現的短路電流峰值約為5900 A。

圖4 限流仿真結果

[1] Christoph Meyer, Rik W. Design of a novel low loss fault current limiter for medium voltage systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2004,（3）:1825-1831.

[2] Jean-Marc Meyer ,Alfred Rufer. A DC hybrid circuit breaker with ultra-Fast contact opening and integrated gate-commutated thyristors [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21（2）:646-651.

[3] B.Roodenburg, A. Taffone, E. Gilardi,et al. Combined ZVS-ZCS topology for high-current direct current hybrid switches: design aspects and first measurements[J]. IET Electronic Power Applications,2007, 1（2）:183-192.

[4] Peter M.McEwan. A two-stage DC thyristor circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,1997, 12（4）:597-607.