固態斷路器在電器試驗系統中的運用

陳慧欣，羅 園

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741018）

高壓交流斷路器作為大容量試驗操作控制的核心設備，因為操作次數頻繁，要求開斷控制精度高，開斷電流大，單純的機械結構高壓斷路器已經不能夠滿足試驗需求。固態斷路器作為一種特殊的控制高壓斷路器，可以利用電力電子器件和機械高壓斷路器的組合做到無觸點開斷，能夠在試驗室頻繁操作，控制精度高，機械壽命長，較普通斷路器有更多優勢[1]。

該產品中電力電子器件采用串極并聯電容的設計，有效實現了每一級電壓的均衡分配。控制電路采用單片機控制，使得開關的控制可以實現自動化、網絡化、智能化[2]。

該固態斷路器分斷能力高、開斷時間短、機械壽命長、容量大，能夠滿足大容量試驗室實際使用的需要，可以成功地取代電器試驗回路中的斷路器與接觸器的組合，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，節省了限流裝置的使用，避免了限流裝置的能耗，節約了成本，有很高的應用價值。

1 固態斷路器的理論背景

隨著電力系統配電自動化和現代化工業以及電力電子技術的不斷發展，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于短路試驗容量和試驗關合角度的要求越來越嚴酷。

高壓交流斷路器作為大容量試驗必備設備，要求操作次數頻繁、開斷控制可靠、開斷電流較大，而單純的機械結構斷路器已不能夠很好地滿足試驗操作的需要。高壓斷路器作為電力系統的重要控制和保護設備，對于維護電網安全和穩定運行有著重要的作用。目前，由于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來說著有一定的困難，尤其是大容量短路試驗室經常對12 kV、60 kA以上的電流進行開斷，這樣的開斷要求對于機械結構的斷路器來說有一定的困難，且開斷次數受限，而智能化的固態斷路器就可以很好地解決這一問題。

1.1 現階段研究與開發的意義

目前的交流高壓斷路器都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等因素，采用最廣泛的介質是SF6，此種方式在頻繁的開斷中會產生有毒氣體危害人體健康，尤其在短路容量試驗室這種試驗場合危害更大。該產品是利用電力電子器件的無觸電特性設計的一種開關裝置，克服了傳統機械結構斷路器的缺點，不會在電流開通關斷瞬間產生電弧，再配合機械式斷路器一起工作。

隨著電力電子技術、數字化技術和網絡技術的快速發展，利用電子電力器件做到斷路器無觸點開斷，對固態斷路器也可以實現智能化網絡化控制。由于智能電網不僅需要提前判斷電力故障，還需要有效切斷故障，使用固態斷路器就是一種有效控制方案。

1.2 國外同類先進技術

在高壓固態斷路器的研究與開發方面，發達國家處于技術領先地位。美國一科研機構已經制造出15 kV大功率電力電子器件、600 A的高壓固態斷路器，該樣機能夠在4 ms內完成開斷。美國西屋電氣公司也研制出了13 kV、675 A的高壓固態斷路器，并在某變電所投入應用；同時還有英國一電氣公司也研究開發了13 kV的高壓固態斷路器，專門應用于供配電系統。其他發達國家也專門開展了高壓固態斷路器的研發，但大多數國家還處在進行樣品的開發，處于早期研究階段。英美研究開發的高壓固態斷路器，其主要通過幾個數千伏耐壓的可關斷晶閘管（GTO）串聯來實現開斷功能，基本都能在數十毫秒內實現開斷。

通過查閱各類文獻發現[3-12]，理想的高壓固態斷路器應該具有以下特點：

（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）對開斷的時刻應能精準控制。

（3）機械壽命及電壽命都盡可能長，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。

高壓固態斷路器速度雖然要比上述理想的高壓固態斷路器慢很多，需要數十個交流二線式固態開關才能完成聯動，但短路的開斷時間完全能夠控制在數十微秒以內，能有效地限制各種故障電流，短路分段能力雖然不能無限大，但能夠分斷的故障電流是額定電流的數十至數百倍。并且，允許短路次數實際上不會受到限制。基本上能夠達到上面提到的理想高壓固態斷路器的條件。

1.3 固態斷路器技術分析

筆者單位根據實際需要采用6.5 kV，2 kA的IGCT器件12只單路一組串聯，后兩組再并聯的方式形成一相，設計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，這樣斷路器就能夠在最短的時間內切斷電流，給電器試驗以更加可靠、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200 ms內的通流能力可以達到50 kA，可控性強。

實現了真正意義上的無飛弧，所以大大節省了電器試驗回路的安裝空間，同時，可以用于礦山等要求防爆電器的嚴酷環境。

2 固態斷路器和傳統斷路器的區別

根據國家標準GB/T 1984規定高壓斷路器一般是指運行在額定頻率50 Hz,額定電壓等級在3 kV以上的交流斷路器，高壓斷路器主要作用就是電網回路中開斷和接通回路，來完成電網的配電功能。

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。所有高壓電路器主要有機械機構和滅弧室等核心結構組成。

我國目前的輸配電電網系統中，應用最廣泛的斷路器是GIS、少油斷路器、SF6斷路器、真空斷路器等。35 kV以下市場基本是真空斷路器，目前，真空斷路器的電壓等級也在逐步提升。

（1）固態斷路器。隨著電力電子技術以及現代工業的快速發展，固態斷路器作為柔性配電技術也逐步進入了人們的視野。固態斷路器是結合計算機技術、微電子技術、電力電子技術等多項技術，朝著智能化的方向邁進。固態斷路器主要由以下幾部分構成：信號檢測與處理、主控模塊、冷卻模塊、電源模塊、開關模塊，如圖1所示。

圖1 固態斷路器控制結構圖

（2）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、霍爾原件等檢測到電壓電流信號后，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，符合接通或者開斷條件時做出判斷，根據波形的位置條件在合適的角度接通或者開斷。信號單元先是對采集到的波形進行濾波處理，送入AD模塊經過處理，根據控制信號的控制要求角度進行合分操作。因此，當發生故障時，控制單元檢測到信號后，迅速做出動作，固態斷路器迅速斷開，其開斷速度可以達到毫秒級。

3 固態斷路器結構分析

設計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，通過串聯的模式提高電壓等級，通過并聯的形式形成交流控制模型，可以通過交流電流的開關。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，這將形成幾毫秒的時延。但是，采用門極可關斷晶閘管（GTO），則能夠在一瞬間切斷電流。其原理如圖2所示。

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動作合閘，先是固態斷路器合閘然后是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受分閘信號，旁路斷路器先分閘，等待分閘到位后，固態斷路器在幾個毫秒內，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。工作原理是，先設定該定值，在發生故障時，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，電流經過T1、T2、LK回路，同時晶閘管T1截止，D續流，C于回路電感產生震蕩，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裝換，輸入到單片機，控制之前需要輸入對控制信號的控制角度，單片機在接受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20 ms內完成，單片機采用100 MHz的控制頻率，采用高速數模裝換芯片，能夠有效、高速、及時地做出反應。

圖4 固態斷路器結構

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。單獨的電池電源為其保證了在高壓回路中的安全性，避免控制回路受到高壓電源波動的影響。其余控制接口采用光電模塊信號，使得控制更加精確、時延極短，基本在20μS內做出反應。

4 結論

固態斷路器開發和應用對于電力系統或者大容量試驗室短路開端試驗有著不可或缺的意義。

（1）此次開發的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，給電器試驗以更加可靠、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，本固態斷路器成功取代了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，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電器的嚴酷環境。

（4）短路開斷時間能控制在幾十毫秒以內，因此，不需要電抗限流器或超導限流器，節省了限流裝置的使用，避免了限流裝置的能耗，節約了成本。