單相限流式固態(tài)斷路器的研究

何棒棒++胡冰清++楊建國++林尤吉+陳云龍

摘 要：文章針對低壓交流場合，提出了一種基于功率MOSFET的單相限流式固態(tài)斷路器和相應的過電壓抑制電路，分析了過電壓抑制電路的工作原理，給出了過電壓抑制電路的參數(shù)選擇的理論依據(jù)。

關鍵詞：固態(tài)斷路器；MOSFET；過電壓

引言

斷路器用于隔離系統(tǒng)中發(fā)生過載或故障等異常行為，從而保護設備和系統(tǒng)免受巨大損失[1]。傳統(tǒng)的機械式斷路器具有導通穩(wěn)定、帶載能力強等優(yōu)點，但它也具有不能實時、靈活、連續(xù)和快速的動作，斷開負載時會在觸頭處產(chǎn)生電弧，觸頭易燒損，易抖動等缺點[2，3]，在消防電氣、智能電網(wǎng)或安全要求更高的場合，越來越難以滿足電力系統(tǒng)速動性的要求。近年來，由于固態(tài)斷路器關斷時間短、通斷無電弧、可控性好等優(yōu)點[4]，可以很好地解決機械式斷路器所暴露的缺點，滿足特定場合對速度性的需求[5-7]。

固態(tài)斷路器最初采用可控硅等半控型器件，相比傳統(tǒng)的機械式斷路器在開關速度上有了極大的提升，其最長關斷時間可達10ms，依然不能有效限制短路電流增長。隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，采用全控型的固態(tài)斷路器具有更快關斷速度，更小的導通損耗，已逐漸成為研究熱點并已應用于很多系統(tǒng)中[4，7]。

針對以上特點，文章設計了一種用于低壓交流場合的固態(tài)斷路器。該固態(tài)斷路器選用了MOSFET作為開關器件，采用MOS管反向串聯(lián)結構，可大大降低通態(tài)損耗，同時具有更快的關斷速度，從而限制短路電流的最大峰值[8]。

1 電路拓撲及工作原理

圖1為所討論的單相限流式固態(tài)斷路器的等效電路圖。圖中方框內(nèi)為以反向串聯(lián)的MOSFET為主要元件的開關模塊，由于MOSFET的雙向?qū)щ娞攸c，可方便實現(xiàn)交流雙向控制。R為負載和線路等效電阻的和，L為線路等效電感，右半部分為過電壓抑制電路，由雙向觸發(fā)二極管（DIAC）、RC緩沖電路、續(xù)流電阻R1組成。

當固態(tài)斷路器正常工作時，DIAC處于關斷狀態(tài)。當有短路故障時，開關模塊兩端的電壓uds迅速升高，當其高于DIAC的開通電壓時，DIAC導通，RC緩沖電路將起到過電壓抑制作用。當線路能量逐漸釋放，短路電流減小，uds也隨之降低，達到DIAC的關斷條件，DIAC關斷。R0的作用是過電壓保護電路作用后，為電容C提供放電回路，一般設計R0阻值遠大于電容容抗，故關斷過程中可將其忽略。當DIAC導通后，圖1的虛線框中部分可等效為電容C和電阻Re的串聯(lián)，如圖2所示。

下面對過電壓抑制電路的工作過程進行分析：

當?shù)刃щ娐分?，可以認為，在短路故障保護時間內(nèi)電網(wǎng)電壓變化很小，在此期間電網(wǎng)電壓可近似為直流電壓源。其中，電網(wǎng)電壓Umsin？茲，uC（t）為電容電壓，iL（t）為電感電流，由電路原理知識，可得：

從上述計算結果來看，當工作在臨界阻尼或過阻尼狀態(tài)時，電流iL（t）為衰減狀態(tài)，iL（t）不會超過限流值；當過電壓抑制電路工作在欠阻尼狀態(tài)時，iL（t）表現(xiàn)為振蕩輸出，振蕩過程中iL（t）會大于限流初始值I0。當過電壓抑制電路工作在臨界阻尼狀態(tài)時，可使固態(tài)斷路器具有更短的故障保護時間。綜上，當L、R一定時，Re、C按照臨界阻尼狀態(tài)選擇參數(shù)時，可使線路中電流不超過I0，且具有更短的保護時間。

2 控制原理

固態(tài)斷路器的關斷控制采用DDL保護控制方法，DDL保護是通過電流瞬時值和電流變化趨勢來實現(xiàn)電流保護功能。裝置正常運行過程中，其保護單元不斷地檢測線路中電流i及其上升率■，經(jīng)過DDL保護算法處理后，驅(qū)動動作執(zhí)行單元動作，在DDL算法中主要有電流基準值i0，電流上升率起判點E，退出值F，延時時間T，電流增量最大值△imax等參數(shù)需要設置[9]。具體程序流程圖如圖3所示。

3 結束語

文章分析了基于MOSFET的單相限流式固態(tài)斷路器的工作原理，提出了一種應用于基于MOSFET的限流式固態(tài)斷路器的過電壓抑制電路，并給出了電路參數(shù)選擇的理論依據(jù)及計算公式。文章對研發(fā)應用在低壓交流場合的限流式固態(tài)斷路器將起到較好的理論指導作用。

參考文獻

[1]LI Dai， LI Xiaoxia. Solid State Circuit Breaker Using Insulated Gate Bipolar Transistor for Distribution System Protection[J]. Power Electronics，1998，38（3）：102-105.

[2]李岱，李曉霞.靈活交流輸電和電力電子學[J].電力電子技術，1998，38（3）：102-105.

[3]楊欽慧.高低壓混合晶閘管斷路器的開發(fā)和應用[J].電氣開關，2000，38（1）：31-34.

[4]張明銳，金鑫.一種抑制固態(tài)斷路器過電壓的新方法[J].電力自動化設備，2012，32（3）：37-41.

[5]馮源，郭忠文.固態(tài)斷路器技術的應用[J].電力自動化設備，

2007，27（10）：96-99.

[6]MU Jianguo，WANG LI，HU Jie. Analysis and design of topological srtucture for DC solid-state circuit breaker[C] //World Non-Grid-Connected Wind Power and Energy Conference .Nanjing，China：IEEE，2009：1-5.

[7]胡杰，王莉，穆建國.直流固態(tài)斷路器現(xiàn)狀及應用前景[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（19）：145-150.

[8]徐德鴻.現(xiàn)代電力電子器件原理與應用技術[M].機械工業(yè)出版社，2008.

[9]李福生.DDL保護算法在交流電力系統(tǒng)中的應用研究[J]，通訊電源技術，2016，33（4）：23.

作者簡介：何棒棒（1994-），男，河南省焦作市人，工作單位：中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，職務：學生，研究方向：電力電子與電力傳動。