3KV/200A真空直流斷路器的優化設計

方 偉，徐國順，莊勁武

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3KV/200A真空直流斷路器的優化設計

方 偉，徐國順，莊勁武

(海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033)

針對直流電力系統中額定電流的分斷問題，本文提出一種真空直流斷路器的拓撲結構，采用自然換流原理實現電網側額定電流的分斷。同時對斷路器的結構組成進行優化設計，分析自然換流關斷過程，通過計算得到關斷參數。通過EMTP仿真軟件對關斷過程進行仿真，得到仿真波形，并在實驗室搭建了300V/200A小比例試驗平臺，成功實現了200A電流的關斷。最后實驗結果與仿真擬合分析，結果證明，所提出的方案有效、可行，可用于斷路器的參數的設計。

直流真空斷路器 自然換流 換流回路

0 引言

3KV/200A真空直流斷路器可以用在直流電力系統中，作為負荷開關使用，起到額定投切的關斷作用。在這個電壓電流等級上，國內一般使用空氣開關，但是空氣開關具有體積大，成本高等缺陷而真空開關具有體積小、可靠性高、價格低、壽命長等優點。基于真空滅弧室自然換流關斷原理的真空直流斷路器具有通態損耗小、分斷能力強、觸頭燒損小、電氣壽命長、體積小、價格低等優點，是近年來直流真空斷路器的一個新的發展方向。

正常工作時，真空開關承擔主回路電流，當需要分斷時，斥力電路接到信號，發斥力，真空開關打開，從而產生電弧，使其與IGBT換流支路產生壓差，使真空開關中的電流迅速減小過零，電流一旦過零，電弧便很快被熄滅，由于真空滅弧室在電流過零點具有極強的介質強度恢復能力，電弧不再重燃。最終通過信號控制關斷IGBT，從而達到關斷電路的目的。

1 直流真空斷路器組成及原理

1.1 真空斷路器組成

圖1所示為直流系統及自然換流型真空斷路器以及保護電路組成，直流電源E、線路電感L、真空開關VI和負載電阻R1串聯。正常工作電流由真空開關VI上流過。自然換流電路包括IGBT以及線感L，首先通過觸發T1電源放電經過一定時間電流達到我們要求給斥力發信號并且同時給IGBT發導通信號。此時觸頭產生弧壓，并且開始換流，IGBT經過一定的導通時間，讓真空開關零電壓恢復，再給IGBT發關斷信號，從而使該支路上的電流再次換流到電容上，最后進行關斷。

1.2 直流斷路器自然換流關斷原理

根據電弧的理論，電弧熄滅所必需的條件之一就是電弧電流必須要過零點。由于直流電弧沒有自然零點，所以熄滅電弧就變得異常困難，因此分斷時需在回路中需要將觸頭上的電流轉移人為的產生電流過零點，實現分斷，這就是所謂的自然換流原理。

開關自然換流電路模型如圖2所示

圖2中：U為高速開斷器弧壓；U為IGBT元器件的通態壓降; R、分別為換流支路電阻、電感；為短路電流；1和2分別為流過開關和IGBT支路電流。根據圖2我們可以列出下式：

（1）

正常通流時，電流從真空滅弧室上流過，觸頭電阻低，通態壓降小，功耗較低。分斷時，邏輯控制電路發出分閘指令后，立即觸發驅動真空開關VI分離，并且換流支路IGBT被導通，根據電弧弧壓與IGBT導通壓降的電壓差形成自然換流，VI觸頭達到滿行程后，經過一定時間的延時介質恢復時間，IGBT接到關斷信號，IGBT兩端出現出現過電壓，直到主回路電流減小到零。圖3為典型的自然自然換流控制原理示意圖。

2 關斷電路參數設計

換流特性是高速開斷器的重要性能之一。高速開斷器順利完成向滅弧熔斷器的換流是混合型高速限流熔斷器成功分斷的必要條件，換流時間過長或無法完成，都將導致分斷失敗。

高速開斷器開斷后的弧壓與換流支路的電氣參數直接決定了換流時間com，為了達到更好的限流效果，必須減小換流時間，根據上式（1）可以通過兩種方式達到減小換流時間的效果，分別是提高開斷器的換流電壓U和降低換流回路支路的電阻和線感，所以在實驗是盡量減小線路的電阻和線感。電容的確定,如下式可以求得電容=2.22mF 如下式（2）為電容的推導公式：

3 開斷試驗

對設計的新型斷路器，在實驗室搭建了試驗平臺，進行了相關試驗。試驗中采用電源為脈沖電容模擬額定200 A電流進行分斷試驗，=300 V,R=1.5Ω如下圖3為實驗波形圖

由上波形圖，首先我們可以看到IGBT可以成功的關斷主回路電流，其中觸頭與IGBT的換流時間大約為3.2ms左右，此時的IGBT兩端電壓為10 V。在經過大約150ms的換流與真空觸頭零電壓恢復時間，觸頭兩端經過10ms產生了大約630 V的過壓。

由上圖4我們可以算出主回路上升率大約為4.05 A/ms，從而我們可以算出線路電感為74mH,再有我們同樣可以算出換流時的上升率為=200A/3.8 μs=52.6 A/ms，由上面的換流回路可以知道弧壓10 V, IGBT通態壓降大約3 V,從而可以由式（10-3）=*得出IGBT支路上的線感為0.16 μH,同時也可以得出觸頭支路的電感為0.1 μH,根據IGBT和電容支路換流階段波形來看耗時為0.25 μs，=200/0.25=800 A/μs此時倆端電壓為160V,*di/dt=160從而可以得到電容支路電感為0.2 μH。

4 仿真計算實驗結果驗證

采用EMTP仿真軟件對所設計的300 V/200 A開關斷路器電流進行仿真分析，按實際實驗線路及斷路器設計參數建立的仿真模型，根據電路原理圖我們建立了仿真模型，在建模過程中存在線路的參數選取與設置，從而接下來我們將實驗所得的參數代入仿真模型中進行參數設置，以下為仿真與實驗擬合情況。

1)主回路擬合

2)IGBT與觸頭換流IGBT支路電流擬合

3）IGBT與電容支路換流IGBT支路關斷階段電流擬合

5 小結

本文根據在現代船舶直流電力系統中對額定分斷斷路器的需求，設計3 KV/200 A等級的直流真空斷路器，在直流供電系統中應用上述斷路器進行實驗，成功實現了小比例額定電流的分斷，實驗與仿真結果基本一致，取得了好的效果。總結本斷路器有如下特點：1）利用自然換流的原理實現對額定電流的分斷，具有體積小、成本低、可靠性高的優點。2）通過仿真計算和試驗，成功驗證方案的可行。3）增大弧壓與減小換流支路線感均有利于換流順利進行，有利于分斷。

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Design of 3KV/200A Vacuum DC Circuit Breaker

Fang Wei, Xu Guoshun ,Zhuang Jinwu

（College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM561

A

1003-4862（2016）11-0001-03

2016-06-15

國家自然科學基金項目(51207166，51307179),海軍工程大學自然科學基金項目(435517F21)

方偉（1990-），男，碩士研究生。研究方向：電力系統保護。