基于電器試驗檢測系統的固態斷路器的分析

李博浩 ，劉濤 ，周琪 ，溫歡

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741018；2.甘肅省高低壓電氣研發檢測技術重點實驗室，甘肅 天水 741018；3.天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅 天水 741020；4.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅 天水 741020）

隨著電力系統配電自動化的發展，對高壓斷路器的要求也越來越高，尤其是大容量短路試驗室對短路試驗容量和試驗關合角度的要求。

高壓交流斷路器作為大容量試驗必備的設備，操作次數頻繁，開斷控制可靠，開斷電流較大，而單純的機械結構斷路器不能很好地滿足試驗操作的需求。由于目前機械斷路器自身的限制，對于開斷電壓高故障電流大的回路有一定的困難，且開斷次數受限，尤其是大容量短路試驗室經常對12kV，60kA以上的電流進行開斷，而智能化的固態斷路器就可以很好地解決這一問題。

該產品是利用電力電子器件的無觸電特性的一種開關裝置，不會在電流開通關斷瞬間產生電弧。交流高壓斷路器一般是利用交流電弧過零自然熄滅這一特性，通過改善滅弧介質、吹弧、拉弧、并聯電阻等方式使得電弧熄滅，從而斷開電路。而電弧是否熄滅取決于介質強度的恢復速度和外施電壓的上升速度，應用最廣泛的介質是SF6，此介質在頻繁的開斷中會產生有毒氣體，所以在短路容量試驗室這種場合危害更大。

隨著電力電子技術、數字化經濟和網絡技術發展的突飛猛進，利用電力電子器件做到斷路器無觸點開斷，可以在試驗室頻繁隨意控制，對固態斷路器也可以實現智能化網絡控制。

1 國內外研究現狀對比分析

美國一科研機構已經制造出15kV、600A的高壓固態斷路器，該樣就能夠在4ms內完成開斷。美國一公司也研制出了13kV、675A的高壓固態斷路器，在某變電所投入應用，同時英國一電氣公司也研究開發了13kV的高壓固態斷路器，專門應用于供配電系統。

理想的高壓固態斷路器應具有以下特點：

（1）穩定性良好，開斷速度快，能夠在幾毫秒甚至在微秒級別范圍內開斷；

（2）對開斷的時刻能精準控制；

（3）機械壽命及電池壽命都盡可能長，不受使用時間限制；

（4）能有效地控制各種故障電流；

（5）結構及功能良好,保證無嚴重故障。

我院根據實際需要采用12只6.5KV、2KA的IGCT器件單路一組串聯，后兩組再并聯的方式形成一相，自己設相序任意時刻的控制電路，配合控制斷路器，來滿足試驗控制需要。相比國外提出的技術有以下優點：

（1）在一個工頻周期內可以根據需要控制開關合分閘的角度；

（2）通流能力強，器件功耗低，不需要大面積的散熱裝置；

（3）無機械機構，控制操作無噪聲，無機械力沖擊；

（4）采用了自關斷器件，這樣斷路器能夠在最短的時間內切斷電流，給電器設備更加可靠、安全的保護；

（5）配合機械結構斷路器同時控制使用，大幅提高了控制和通流能力；

（6）在200ms內的通流能力可以達到50kA，可控性強；

（7）實現了真正意義上的無飛弧，大大節省了電器試驗回路的安裝空間，同時也可以用于礦山等要求防爆的環境。

2 固態斷路器

2.1 傳統高壓斷路器

根據國家標準GB/T1984-2014規定高壓斷路器是指運行在額定頻率50Hz,額定電壓在3kV及以上的系統中的交流斷路器。傳統的高壓斷路器都是機械機構帶動滅弧室中的動靜觸頭做機械運動來切斷電流，使回路中產生斷口的方式來實現。高壓斷路器主要由機械機構和滅弧室等核心結構組成。

在我國目前的輸配電網系統中，應用最廣泛的是少油斷路器，SF6斷路器，真空斷路器等。35kV以下市場上基本是真空斷路器，目前真空斷路器的電壓等級也在逐步提升。

2.2 固態斷路器的組成部分

如圖1所示，固態斷路器控制結構圖主要由以下部分組成：信號檢測與處理模塊、主控模塊、冷卻保護模塊、電源模塊、開關模塊。

圖1 固態斷路器控制結構圖

2.3 固態斷路器的工作原理

固態斷路器工作是通過檢測模塊電壓互感器、霍爾元件等檢測到電壓電流信號，系統把檢測到的信號送入控制單元，控制單元根據檢測到的信號波形做出判斷。信號單元先是對采集到的波形進行濾波處理，送入A/D模塊經過處理，根據控制信號的控制要求的角度進行合分操作。當發生故障時，控制單元檢測到信號后，迅速做出動作，使固態斷路器迅速斷開，其開斷速度可以達到毫秒級。

本文分析的固態斷路器是將電力電子器件通過并聯和串聯的方式連接在一起，由串聯的模式提高電壓等級，并聯的形式形成交流控制模型。如圖2固態斷路器原理接線圖所示，如果晶閘管是常規的硅整流管（SCR），則開關在交流電流第1次過零點時斷開回路，這將形成幾毫秒的延時。但是采用門極可關斷晶閘管GTO，則能夠在一瞬間切斷電流。

圖2 固態斷路器原理接線圖

正常運行時，GTO導通的同時旁路斷路器同時合閘，先是固態斷路器合閘，然后旁路斷路器合閘接通電流，降低固態斷路器長時間工作的負擔。一旦檢測到故障，控制系統向GTO門極發出關斷脈沖，旁路斷路器和固態斷路器同時接收分閘信號，旁路斷路器先分閘，等待分閘到位后，固態斷路器在幾個ms內，尋找故障電流的過零點切斷故障電流，因此能夠很好地抑制電網電壓的跌落以及各種故障電流造成的嚴重損失。

晶閘管常用于大容量試驗的固態斷路器，如圖3所示，發生故障時，當故障電流超過設定值時，系統檢測到信號使得CK開始放電，同時晶閘管T1截止，D續流，回路電感產生震蕩，放電電流經過第一個電流零點時，T2關斷，控制結束。

圖3 晶閘管型斷路器的開關模塊

高壓固態斷路器結構框圖如圖4所示，首先斷路器采集高壓母線上的重要信號如電壓和電路信號，也可以通過采用同步信號的方式來實現。對采集到的信號進行模數轉換，輸入到單片機，控制之前需要輸入對控制信號的的控制角度。單片機在接收的控制信號之后首先判斷需要控制合分的角度位置，在接收到當前控制信號的一個周期內就能做出控制動作，最長的控制動作可以在20ms內完成，單片機采用100MHz的控制頻率，采用高速數模裝換芯片，能夠有效高速地做出反應。控制回路模塊采用單獨的電池電源供電，整體封裝在一個金屬盒子內，可以有效提高其抗干擾能力。

圖4 固態斷路器結構框圖

3 結論

固態斷路器開發和應用對電力系統和大容量試驗室短路開斷試驗有著重要意義，本次對固態斷路器的分析總結如下：

（1）此次分析基于電力電子技術的固態斷路器采用了自關斷器件，這樣斷路器就能夠在最短的時間內切斷電流，給電器試驗更加可靠、安全的保護。

（2）電器試驗電壓及電流的調節可以通過斷路器來實現，由于固態斷路器具有短路開斷的功能，開斷的極限次數遠大于任何機械式開關，所以本固態斷路器可成功取代電器試驗回路中的斷路器與接觸器的組合。

（3）實現了真正意義上的無飛弧，極大節省了電器試驗回路的安裝空間，同時也可以用于礦山等要求防爆的嚴酷環境。

（4）短路開斷時間能控制在幾十微秒以內，因此不需要電抗限流器或超導限流器，省去了限流裝置的使用，避免了限流裝置的能耗，極大地節省了成本。