混合直流斷路器自然換流過程中弧壓的測量及建模

李 博，彭振東，沙新樂，楊晨光

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混合直流斷路器自然換流過程中弧壓的測量及建模

李 博，彭振東，沙新樂，楊晨光

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

混合式斷路器的電流轉移主要有自然換流和強迫換流兩種方式，其中自然換流是在機械開關斥力機構驅動觸頭分閘過程中產生電弧電壓的作用下迫使故障電流由機械開關向半導體開關轉移的過程，該階段電弧電壓的大小及變化過程對轉移時間有著至關重要的影響。本文通過實驗精確測量12 kA電流等級下真空電弧電壓的大小及變化規律，并利用PSCAD/EMTDC 建立電弧電壓數學模型，最后將該電流等級下換流時間的仿真計算和實驗實測結果進行對比，驗證了真空電弧電壓模型的可靠性與正確性。

混合式斷路器 自然換流 電弧電壓 轉移時間

0 引言

當今直流配電系統廣泛受到關注，作為電力系統中核心保護設備，中壓直流斷路器也成為人們的研究熱點之一。不同于交流背景可在自然過零點關斷，直流領域下的斷路器需要人工過零點才能完成可靠分斷。最常見的方法主要有利用機械開關分斷過程產生的電弧電壓迫使電流向半導體器件轉移的自然換流和利用高頻反脈沖支路進行電流轉移的強迫換流，本文著重分析了自然換流真空電弧電壓的變化規律及對電流轉移時間的影響。

混合式斷路器結合機械開關靜態通流損耗低和固態器件動態動作快速兩種優勢成為當下中壓直流系統保護設備的首選[1,2]。短路故障發生時，系統電流以高變化率急劇上升，為了快速切斷故障電流，保護系統設備不受損害，需要保護設備動作可靠且迅速，因此需要盡量縮短自然換流過程中電流轉移時間。

1 真空弧壓測量原理

電力系統發生短路故障時，在自然換流過程中，系統電流以一定變化率上升。本實驗通過LC脈沖放電回路模擬系統故障電流。為了研究混合式斷路器真空開關電流向半導體開關轉移過程，需要對該階段電弧電壓的特性進行分析。具體電弧電壓測量原理圖如圖1所示，其中P為脈沖放電回路儲能電容，P為脈沖放電回路調波電感（包括回路線路電感），D1為整流二極管，FV為真空觸發控制開關，VB為快速真空機械開關，V為真空開關VB支路雜散電感。

本文支持單值、模糊單值、區間值三種QoS數值表達方式。如，響應時間為單值屬性；安全性描述為一個集合{高，中，低}對應的數值描述為{3,2,1}，為模糊單值屬性；價格區間100元以內，為區間型屬性。本文將數值進行統一劃歸成精確型單值數據來表示。

圖1 真空電弧電壓測量電路

實驗步驟具體如下[3]：

4.藥物濃度檢測：特殊人群如兒童、妊娠婦女及腎功能不全患者等用藥在條件允許情況下可進行治療藥物濃度監測（TDM）。

滿足電流成功從VB轉移至T的條件是VB支路電流能夠過零，即V＜0：

基礎護理包括飲食護理,環境護理等。飲食護理,護理人員應為患者制定健康飲食計劃,告知患者及其家屬按合理膳食,飲食計劃多吃易消化食物,多食用流質食物,重視營養素的攝入量,不可通過口服的病人應該給予鼻胃管小量持續注射營養物。生活環境護理,定期幫助病人擦洗身體,保持皮膚清潔;定期清潔和更換病人的床單,保持床單清潔;定期幫助患者翻身并預防褥瘡感染;定期口腔護理患者保持口腔清潔;保持房間清潔和通風良好。

黑粉是天然氣外輸管道中經常遇到的污染物[1-10]，黑粉的出現會造成管道管輸量下降、堵塞儀表和閥門、降低壓縮機壓縮效率等一系列問題[9]，嚴重影響天然氣的正常輸送和下游用戶的正常生產。通過對黑粉成分進行分析，一般認為黑粉由鐵硫化物、碳酸鐵、氧化鐵、硫磺、沙粒等組成[10]。黑粉問題最早出現在天然氣管道建設較早的國家，如美國、加拿大等國[13-16]。近年來，隨著我國輸氣管線的大規模建設和相繼投入運營，黑粉也逐漸出現在輸氣管網中。

(一)結構特點。在筆者所收集的網絡流行語中，偏正結構居多，有20多個，占所收集流行語的40.8%，其中又以定中結構為主，是偏正結構的85%，占總數的34.7%.主謂結構、聯合結構各占總數的6.1%，動賓結構、動補結構分別占10.2%和4%。(如下圖)

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真空電弧電壓擬合曲線分段函數表達式為：

由于真空機械開關VB支路雜散電感的存在，在脈沖放電回路電流變化的情況下會在VB上產生一定的感應電動勢，為了精確測量真空電弧電壓的大小，必須排除感應電動勢的影響。因此測量VB分閘和合閘兩種狀態下的電壓，兩種之差即為真空電弧電壓，表達式如下式所示：

2 真空電弧電壓建模

基于上述電弧電壓測量原理，脈沖放電回路儲能電容P取值7.2 mF，調波電感P（包括線路電感）取值65 μH，預充電電壓取1200 V可得預期峰值12 kA的脈沖電流，測得真空電弧電壓隨放電回路電流的變化趨勢如下圖2所示，由于VB在脈沖電流峰值分閘，在后半波過程中，脈沖電流逐漸減小，感應電動勢為負值，因此實際真空電弧電壓大于測量值V1。

圖2 真空電弧電壓隨電流變化趨勢

通過PSCAD/EMTDC仿真軟件建立上述電弧電壓表達式的數學模型及曲線分別如圖4和圖5所示，弧壓持續時間約0.3 ms，峰值為28 V。

3）繼續給儲能電容預充至相同電壓，控制真空觸發開關FV導通形成脈沖放電，保持真空機械開關VB合閘狀態，測量VB兩端電壓V2。

本實驗真空弧室選擇橫向磁場觸頭結構，觸頭選用CuCr50材料，根據真空電弧理論，真空電弧電壓主要由近極壓降和弧柱壓降構成。近極壓降與觸頭材料有關，而弧柱壓降與區域內的等離子體密度有關。當觸頭開始動作時，電弧電壓以近似階躍形式上升至24 V左右的近極壓降。隨后，隨著觸頭開距增大為等離子體形成階段，觸頭間真空區域開始燃弧，從真空電弧電壓變化趨勢來看，此過程弧壓以近似直線趨勢上升。由于本實驗產生的電流大于10 kA（大電流電弧），電弧電阻表現為正的伏安特性[4,5]。當真空機械開關中電流逐漸減小時，等離子體濃度開始減小并考慮一定的冷卻效應，電弧逐漸熄滅，弧壓開始急劇減小。以10 kA為界限，可將12 kA放電電流等級下的真空電弧電壓分別擬合為區間在[0，10 kA]隨電流變化的曲線以及區間在（10 kA，12 kA]隨時間變化的曲線，真空電弧電壓分段擬合曲線如圖3所示。

3 仿真與實驗驗證分析

轉移過程中真空機械開關VB支路及晶閘管T支路的電流表達式為：

圖3 真空電弧電壓實測及擬合曲線

圖4 真空電弧電壓PSCAD數學模型

圖5 真空電弧電壓建模曲線

圖6 自然換流實驗電路圖

轉移過程等效電路如圖7所示，其中0為放電回路電流，由于電流轉移過程極快，假設在換流階段0為恒定值。V，V分別為真空機械開關支路等效電阻和雜散電感；T，T分別為晶閘管T支路的通態電阻和雜散電感；arc為真空開關電弧電壓；T為晶閘管T通態壓降。

圖7 轉移過程等效原理圖

根據KCL，KVL定理，電流轉移回路方程為：

自然換流過程實驗電路原理如下圖6所示，圖中轉移用晶閘管T選用臺基KKM4000-48單管，D2為反并二極管，用于保障晶閘管反向過電壓而不被損壞。脈沖放電回路線路電阻忽略不計，當脈沖放電回路放電電流上升至峰值時，驅動真空機械開關VB分閘，經過一段時間觸發晶閘管T導通，在電弧電壓的作用下放電電流開始由VB向T轉移。

1）首先給儲能電容P預充至一定電壓，由于回路參數已確定，根據不同電流等級可確定預充電壓大小。

arc＞0T+T(5)

因此真空電弧電壓必須大于晶閘管支路壓降才能保障電流成功轉移。另外，在滿足電流能夠成功轉移的前提條件下，轉移時間表達式為：

決策鏈包括規則制定和資源分配兩個方面，二者主要涉及政治價值。決策鏈是官僚系統運行鏈的前段，需注重代表性、回應性、公平公正、公開透明等原則，保持政治價值理性。規則制定是指中高層領導干部制定的組織戰略、改革方案、執行細則等一系列指導性規則。在規則制定過程中要與黨和國家的意志和原則保持一致，保證政策或制度的代表性和回應性，保護公民權益不受侵害。資源分配是指決策過程中為保障制度規則順利實施而將權力、資金、人員等相關資源分配給政策執行主體。資源分配應秉承公平正義和公開透明原則，一旦出現資源分配過程中的權力尋租、資源配置畸形等不合理現象，必須引起高度重視，深究問題線索，消除腐敗苗頭。

分析上述表達式可知，實際電流轉移時間主要與arc、T、V和T有關，T和V的大小則影響甚微[3,6]。因此，增大真空電弧電壓arc并減小真空機械開關VB支路雜散電感V、晶閘管T支路雜散電感T以及晶閘管通態壓降T有助于減小電流轉移時間，當故障電流轉移過慢時，會影響真空開關絕緣介質的恢復進程。因此，優化支路雜散參數及研究真空電弧電壓在轉移過程中的變化有著重要意義。

圖6對應的各器件參數如表1所示，在PSCAD/EMTDC軟件中搭建如圖4所示電路并賦予下述參數值，其中真空開關VB及晶閘管T的等效電阻和雜散電感通過ANSYS/Q3D計算得出，電流轉移過程如圖8所示。

表1 仿真參數

圖8 電流轉移過程仿真波形

對比仿真與實驗實測電流轉移時間，結果如下圖9所示，考慮實際實驗各支路雜散參數應大于仿真數值，實測轉移時間略大于仿真值，但差值在可接受范圍內，驗證了真空電弧電壓數學模型及轉移過程仿真結果的正確性。

4 總結

1）真空電弧電壓的真實值應為真空機械開關分閘狀態下兩端電壓和未分閘狀態下兩端電壓（雜散電感引起的感應電動勢）之差。實際電流轉移時，真空機械開關支路電流逐漸減小，感應電動勢為負值，所以弧壓應大于真空機械開關未分閘狀態下兩端電壓值。

圖9 仿真電流轉移時間與實測電流轉移時間

2）真空機械開關觸頭開始動作時，首先是等離子體形成階段，真空弧壓階躍上升至24 V左右的近極壓降，隨后隨著電弧燃燒，弧壓開始線性上升，此階段可將弧壓擬合成隨時間變化的曲線；然后電弧電流開始減小，電弧等離子體開始冷卻，電弧逐漸熄滅，弧壓急劇減小，此階段可將弧壓擬合成隨電弧電流變化的曲線。

3）解析自然換流過程轉移時間數學表達式，真空電弧電壓大小及變化規律對轉移時間大小有著顯著影響，通過PSCAD仿真軟件對真空弧壓進行數學建模并計算轉移時間，仿真和實驗結果較為吻合。

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Measurement and Modeling of Vacuum Arc Voltage in the Natural-commutate of Hybrid DC Circuit Breaker

Li Bo, Peng Zhendong, Sha Xinle, Yang Chenguang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM721

A

1003-4862（2019）02-045-04

2018-12-26

李博（1991-），男，助理工程師。研究方向：中壓直流斷路器。E-mail: 429595691@qq.com