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(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，隨著科技的進(jìn)步，作為解決高電壓、大容量、長距離送電和異步聯(lián)網(wǎng)重要手段的直流輸電技術(shù)正越來越受到廣泛的應(yīng)用。相比交流輸電，直流輸電有較好的經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)越的運(yùn)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(tǒng)，直流斷路器成為直流電力系統(tǒng)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(diǎn)，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(diǎn)。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(chuàng)造過零點(diǎn)，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(jìn)行開發(fā)，隨后日本、西德也進(jìn)行開發(fā)研究，在這些國家的配電系統(tǒng)中運(yùn)行。國內(nèi)真空斷路器行業(yè)相對國外來說起步比較晚，但是自真空開關(guān)20 世紀(jì)60年代初進(jìn)入電力系統(tǒng)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(diǎn)。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(guān)電器進(jìn)行保護(hù)。目前對直流斷路器滅弧方案的研究已引起國內(nèi)外的高度重視，歐美各國、日本的直流系統(tǒng)和電力部門的研究所及高等院校均設(shè)置了相關(guān)機(jī)構(gòu)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(nèi)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(zhuǎn)換法、自激振蕩法和電流轉(zhuǎn)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(tǒng)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?jǐn)鄷r滅弧室強(qiáng)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(dá)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(chǎn)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(fā)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(jìn)行維護(hù)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(zhuǎn)換法［5］

在一般的使用場合，大部分系統(tǒng)殘余能量是靠將電流轉(zhuǎn)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(fā)展過程中，出現(xiàn)了一類分段限流式直流斷路器，它是先對直流進(jìn)行限流，然后開斷。即在發(fā)生故障時，利用各種手段來實(shí)現(xiàn)限流，比如在線路中串聯(lián)一定量的電感，或在分?jǐn)鄷r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(diǎn)。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(fù)阻特性。油、空氣或SF6均可選作滅弧介質(zhì)，而且交流開斷技術(shù)也較適用于此方法。但是必須對滅弧室加以改進(jìn)，使之減小并聯(lián)電容。近幾年來，在國內(nèi)外出現(xiàn)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(zhuǎn)換斷路器MRTB(meatllic return transfer breaker)。例如在日本建設(shè)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(yīng)用。但此類高壓斷路器的分?jǐn)嗄芰Σ皇呛芨撸覂r格也比較昂貴。因此在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制。

1.4 電流轉(zhuǎn)移法［4，7－14］

電流轉(zhuǎn)移法就是利用預(yù)充電的電容器通過電感放電產(chǎn)生一個高頻反向電流，疊加在直流斷路器上，從而達(dá)到建立電流零點(diǎn)的目的。

電流轉(zhuǎn)移原理是近年來較受關(guān)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(jié)合某船用直流系統(tǒng)保護(hù)斷路器對圖2 系統(tǒng)發(fā)生短路時電路進(jìn)行仿真分析。

其技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)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(yù)期短路電流:60 kA;

最大短路電流上升率:3 000 A/ms;

限流系數(shù):≤0.35。

圖1 電流轉(zhuǎn)移原理圖

圖2 系統(tǒng)發(fā)生短路示意圖

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

圖3 發(fā)生短路時刻等效電路圖

當(dāng)短路發(fā)生1 ms 后，故障電流的表達(dá)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(zhuǎn)移電流，此時等效電路如圖5 所示。

圖4 直流系統(tǒng)短路波形仿真圖

圖5 轉(zhuǎn)移電流投入時刻等效圖

在t1時刻，設(shè)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(yīng)。

此時通過主斷路器CB1 中的電流為

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

圖6 轉(zhuǎn)移電流振蕩波形

由圖6 中可見，轉(zhuǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移回路串入系統(tǒng)中，此時等效電路如圖8 所示。

根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍恚娐分腥侩姼械目偞沛湵３植蛔儭?/p>

圖8 電弧熄滅后系統(tǒng)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(jìn)一步切斷電路中的剩余電流等。

3 討論

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

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

4 結(jié)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(zhuǎn)移電路及轉(zhuǎn)移原理進(jìn)行分析與仿真研究，對其分?jǐn)喙收想娏鞯? 個階段分別進(jìn)行理論分析與Matlab 建模仿真。結(jié)合具體船用直流系統(tǒng)，仿真分析得出采用電流轉(zhuǎn)移滅弧方案的直流高速真空斷路器可成功地實(shí)現(xiàn)故障電流的分?jǐn)啵S著中國電力工業(yè)發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中具有可行性。

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