直流高速真空斷路器滅弧方案的仿真研究

高銀銀，陳民武，方雨菡

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，隨著科技的進步，作為解決高電壓、大容量、長距離送電和異步聯網重要手段的直流輸電技術正越來越受到廣泛的應用。相比交流輸電，直流輸電有較好的經濟效益和優越的運行特性。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，直流斷路器成為直流電力系統的“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行開發，隨后日本、西德也進行開發研究，在這些國家的配電系統中運行。國內真空斷路器行業相對國外來說起步比較晚，但是自真空開關20 世紀60年代初進入電力系統以來，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，對開關電器進行保護。目前對直流斷路器滅弧方案的研究已引起國內外的高度重視，歐美各國、日本的直流系統和電力部門的研究所及高等院校均設置了相關機構從事這方面的研究［2］。

1 直流高速斷路器熄滅電弧方案

國內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、電流轉換法、自激振蕩法和電流轉移原理的方法。

1.1 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，靠在觸頭分斷時滅弧室強烈的冷卻作用來消除電弧能量，使電弧電壓得到提高，從而達到熄弧的目的。在初期的電氣鐵道中所使用的直流高速空氣斷路器，就是產生一個超過電源電壓的電弧電壓使其電流過零的一種裝置，它主要是通過拉長發生于斷路器觸頭間的電弧長度來提高電弧電壓，以此把電流限制到零。

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，則需要頻繁地進行維護與檢查。此外，由于需要大的電弧間隙和飛弧距離而難于小型化。

1.2 電流轉換法［5］

在一般的使用場合，大部分系統殘余能量是靠將電流轉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，在直流斷路器的發展過程中，出現了一類分段限流式直流斷路器，它是先對直流進行限流，然后開斷。即在發生故障時，利用各種手段來實現限流，比如在線路中串聯一定量的電感，或在分斷時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。

1.3 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。此時，電弧電壓隨著電流的增加而減小，即電弧的負阻特性。油、空氣或SF6均可選作滅弧介質，而且交流開斷技術也較適用于此方法。但是必須對滅弧室加以改進，使之減小并聯電容。近幾年來，在國內外出現了利用自激振蕩原理滅弧的直流斷路器，這種斷路器是用在備有金屬回路的傳輸線路中，稱之為金屬返回轉換斷路器MRTB(meatllic return transfer breaker)。例如在日本建設的Kii－Channel HVDC Link 中，就配備了此種斷路器，在中國的一些直流輸電工程中也有類似的應用。但此類高壓斷路器的分斷能力不是很高，而且價格也比較昂貴。因此在實際應用中受到很大的限制。

1.4 電流轉移法［4，7－14］

電流轉移法就是利用預充電的電容器通過電感放電產生一個高頻反向電流，疊加在直流斷路器上，從而達到建立電流零點的目的。

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

2 仿真分析

由圖1 中所示，結合某船用直流系統保護斷路器對圖2 系統發生短路時電路進行仿真分析。

其技術指標和參數如下。［1］

額定工作電壓:DC 1 500 V;

額定工作電流:4 000 A;

最大預期短路電流:60 kA;

最大短路電流上升率:3 000 A/ms;

限流系數:≤0.35。

圖1 電流轉移原理圖

圖2 系統發生短路示意圖

圖2 為直流工作系統發生短路的示意圖，此時主斷路器CB1 已接到命令開始分閘，產生電弧，并且觸頭分開到一定的開距，系統中的短路電流快速上升。控制系統同時發出指令閉合CB2，引入轉移電流，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，系統發生短路故障，此時其等效電路如圖3 所示，屬于一階全響應電路。

圖3 發生短路時刻等效電路圖

當短路發生1 ms 后，故障電流的表達式為

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，引入轉移電流，此時等效電路如圖5 所示。

圖4 直流系統短路波形仿真圖

圖5 轉移電流投入時刻等效圖

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

此時通過主斷路器CB1 中的電流為

當短路發生到一定時刻，見圖4 所示，在6 ms左右引入轉移電流，此時在轉移回路當中形成振蕩，可得流過CB2 的電流波形如圖6 所示。

圖6 轉移電流振蕩波形

由圖6 中可見，轉移振蕩電流在第一波峰處超過20 kA，在此時刻，它與直流系統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。

圖7 轉移電流投入后的振蕩波形

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

根據磁鏈守恒原理，電路中全部電感的總磁鏈保持不變。

圖8 電弧熄滅后系統等效原理圖

此時線路中電感值對弧后電流的影響如圖9 所示。

圖9 線路中電感值對弧后電流的影響

為了減小振蕩電流對斷路器的影響，必須采取措施，采用氧化鋅避雷器來消除電感中的能量［15－17］，如圖1 所示，進一步切斷電路中的剩余電流等。

3 討論

在實際的直流系統中，線路的電感值是很大的，可能會高達毫亨量級。這樣可能是一個幅值較大的交流電流，這對系統來說也是一個較大的威脅。

所以說在電路開斷后，電路中產生的大振蕩電流及很長的振蕩時間，對系統來說也是不能接受的。

4 結論

通過介紹幾種典型直流斷路器滅弧方案的原理，主要對選用電流轉移電路及轉移原理進行分析與仿真研究，對其分斷故障電流的3 個階段分別進行理論分析與Matlab 建模仿真。結合具體船用直流系統，仿真分析得出采用電流轉移滅弧方案的直流高速真空斷路器可成功地實現故障電流的分斷，隨著中國電力工業發展，在實際應用中具有可行性。

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