新型機電混合斷路器及其電流轉移過程分析

郭興宇 黃智慧,2 梁德世 鄒積巖

新型機電混合斷路器及其電流轉移過程分析

郭興宇1黃智慧1,2梁德世1鄒積巖1

（1. 大連理工大學電氣工程學院 大連 116024 2. 大連理工大學計算機基礎實驗教學中心 大連 116024）

為降低傳統機械式斷路器動作過程產生的觸頭燒蝕、暫態恢復電壓與介質恢復過程的競爭、關合涌流等暫態過程的影響，該文提出一種用于配電系統的新型機電混合斷路器拓撲結構：雙斷口真空滅弧室負責通載額定電流，動作時電流轉移到與其并聯的背靠背大功率整流二極管，由二極管完成開關的零區過程。該拓撲結構可以消除上述合分操作可能產生的暫態過程，且能保持機電開關各自的優勢。首先分析新型機電混合斷路器的動作過程和原理并進行仿真；然后搭建實驗樣機，進行機電部分的電流轉移特性實驗。仿真及實驗的結果表明：電流轉移的時間受二極管的特性參數影響，存在飽和效應；在本實驗條件下的轉移電流峰值達到二極管額定電流3倍時電流轉移率開始減小，達到5倍時電流轉移趨向于飽和；該文給出的拓撲結構在典型參數下能夠實現10kA短路電流的微弧甚至無弧分斷，斷路器的機電混合模式對電力開關的發展具有重要意義。

電流轉移 機電混合斷路器 功率二極管 無弧分斷

0 引言

傳統機械開關動作時存在以下暫態過程：開斷過程除了燃弧階段會燒蝕觸頭，降低開關使用壽命外，弧后階段的弧隙在介質恢復（Dielectric Recovery, DR）過程與暫態恢復電壓（Transient Recovery Voltage, TRV）競爭的作用下容易發生重燃，降低故障開斷的成功率[1]。在關合過程中常見的觸頭彈跳與預擊穿，可能產生涌流和暫態過電壓，同樣威脅電力系統的安全。另一方面，隨著電力電子器件的發展，晶閘管投切電容器組、模塊化多電平換流器、柔性多狀態開關、零點投切等技術在電力系統領域展現出很好的發展勢頭[2-3]。但電力電子器件存在的通態損耗及單元工作電壓偏低的問題，困擾其在電力系統領域中的應用與推廣。為了結合兩種開關的優勢，取長補短，研究人員提出了機電混合斷路器的新思路[4-5]。

在高壓直流輸電領域，ABB公司將電力電子器件與機械開關結合，推出混合式高壓直流斷路器[6]。文獻[7]的研究結果表明混合式直流斷路器動作時，電流可以在200ms時間內從機械開關中可靠轉移到電力電子器件中。文獻[8]對混合式高壓直流斷路器的分斷過程進行了瞬態電磁建模，并分析了開斷過程產生電磁干擾的原因。

電力電子器件與機械開關相結合的混合結構也在交流系統的諸多領域得到探索。人們研究了應用于混合式有載分接開關（On-Load Tap-Changer, OLTC）中的電力電子器件，得到應用全控器件與半控器件的特點[9-10]。ABB采用電機操動機構及插入式空氣觸頭，將數個斷口與二極管模塊化集成串聯組成混合式開關，用于投切電容器組[11]。文獻[12]對ABB的混合開關的應用領域進行了研究，將其用于投切中壓系統中的電機起動。文獻[13]將ABB的技術方案應用于電容投切以減少電容老化，證明了這種混合開關的優勢。文獻[14]將混合式斷路器用于投切電容器組，并進行了仿真研究，證明拓撲結構能夠有效減小浪涌電流。文獻[15]在ABB的技術方案基礎上進行改進優化，減少斷口數及功率二極管數。

近年來電力電子器件向更高的電壓和電流等級發展[16]。文獻[17]結合應用分析了大功率電力電子器件的反向恢復特性。文獻[18-19]歸納了大功率二極管的物理模型參數，分析了二極管的動態特性。文獻[20-21]搭建了絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的試驗平臺，對IGBT的動態特性進行了測試。

但上述交流應用場景下的混合開關大多為簡單機械斷口，電氣性能參數水平有限，多用于低載荷的變壓器有載分接開關及配電網無功補償電容器投切開關等占比很小的一些應用，其控制電流和電場應力都比較小，無法應用于量大面廣的配電斷路器領域及中高壓輸電線路的大容量無功補償。

本文提出一種用于配電網的新型機電混合斷路器拓撲結構：雙斷口真空滅弧室負責通載額定電流，動作時無需控制單元由電弧電壓驅動即可通過大功率二極管實現電流轉移。初步的拓撲分析及試驗結果表明：新型機電混合斷路器的零區過程由并聯二極管主導，真空滅弧室可以實現微弧甚至無弧開斷，化解了真空開關熄弧重擔。

1 新型機電混合斷路器的基本結構及工作過程分析

1.1 新型機電混合斷路器的基本結構

新型機電混合斷路器（Electro-Mechanical Hybrid Circuit Breaker, EM-HCB）的拓撲結構如圖1所示，VD1、VD2為大功率整流二極管，CB1、CB2為真空滅弧室。

圖1 新型機電混合斷路器拓撲結構

新型EM-HCB的實物樣機如圖2所示。樣機選用TF-7.2/400型負荷開關用真空滅弧室。圖中每組二極管由3個額定電流1 000A的ZP型管芯串聯壓接而成。樣機的具體參數見表1。

圖2 新型機電混合式斷路器樣機

表1 新型機電混合斷路器樣機參數

1.2 新型機電混合斷路器的工作過程

新型機電混合斷路器在正常載流情況下由雙斷口真空滅弧室導通電流，通態損耗可以忽略不計，分合閘操作時故障電流轉入與滅弧室并聯的大功率整流二極管，由二極管主導開關的零區過程，實現機械開關的無電弧動作、無電流動作、無弧后DR與TRV競爭等無暫態動作。分合閘過程如圖3所示。

1.2.1 分閘操作

當雙斷口在同一半波動作時，如圖3a的曲線所示，＜0為HCB正常合閘狀態，參照圖1，系統電流流經CB1和CB2，VD1與VD2處于截止狀態。系統在0時刻發出分閘指令，操動機構線圈通電勵磁，1時刻CB1和CB2同時開始動作（始動）。到2時刻CB2退完超程、觸頭分離。0～1為機構勵磁時間，1～2為CB2的退超程時間。2時刻CB2觸頭間產生電弧，進入電流轉移階段即2～3。真空電弧的電壓一般為10～25V[22]，大于處于正向偏置的二極管VD2的導通電壓閾值，電流由CB2轉移到VD2。3時刻電流已完全轉移至VD2，CB2的電流降到零、電弧熄滅，開始介質恢復階段，避免了系統電流過零后DR與TRV的競爭過程。分閘過程持續到4時刻，操動機構運動至全行程，滅弧室達到額定開距。5時刻，系統電流過零、CB1中電弧熄滅，VD1導通，系統暫態電壓反向作用在VD2兩端，使之截止，完成故障開斷。CB1、CB2實現無DR與TRV競爭的無暫態動作過程。

圖3 機電混合斷路器動作過程

本拓撲的兩個真空滅弧室也可以通過選相控制實現異步操作：控制CB2在正半波動作，CB1在接下來的負半波動作。分斷時CB2利用電弧電壓驅動電流轉移至VD2，可以實現無弧或微弧開斷，在系統電流過零前完成介質恢復過程，實現無DR與TRV競爭的無暫態過程。CB1在負半波分斷時系統已經斷開，CB1實現無電流的無暫態動作。

1.2.2 合閘操作

合閘時，雙斷口通過調節傳動機構可以實現雙斷口的異步操動，控制CB1在負半波合閘，CB2在正半波合閘。圖3b的曲線中（＜0）為HCB關合過程的初始狀態，CB1與CB2均處于分閘狀態，VD1和VD2均截止，系統處于開路。設0時刻控制單元給操動機構線圈發出關合指令，經0～1的勵磁時間，1時刻CB1和CB2同時開始動作。設CB1在電流負半波首先關合，此時電流未導通，CB1實現無電流的無暫態動作。當電流變為正半波時系統電流經由CB1與VD2形成通路，回路導通。2時刻CB2觸頭無弧關合，實現無弧的無暫態動作。此時電流由VD2轉移至CB2中。到3時刻電流轉移完畢，系統經CB1、CB2形成回路，VD2截止，開關完成關合過程。

綜上所述，新型機電混合斷路器可以實現無暫態的分合閘過程。

1.3 整流二極管特性

機電混合斷路器的電力電子開關部分采用典型的大功率整流二極管，其伏安特性如圖4所示。當二極管處于正向偏置、外加電壓不足以克服PN結內電場對多子運動的阻礙作用時，電流近似于零。當電壓達到閾值TO時，正向電流迅速增加，二極管完全導通。當電流為F時，二極管兩端電壓為F。當二極管處于反向偏置時，反向電流RR主要是由少子的漂移運動形成。當反向電壓繼續增加到反向擊穿電壓B時，電流突然增加，二極管反向擊穿。

圖4 整流二極管伏安特性

現有大功率整流二極管單元的工作電壓水平低于配電系統額定電壓，需將二極管串聯成模塊使用。多管串聯的連接端面電接觸需施加足夠的安裝壓力。隨著電流增加，二極管的管壓降增加。二極管通態伏安特性曲線與二極管參數、安裝條件、工況、環境溫度等因素相關，因此二極管的選取參數須按實際情況分析。

二極管的導通過程為正向壓降先出現一個過沖電壓FP，經過一段時間才趨于接近穩定電壓F，如圖5所示。這段時間稱之正向恢復時間fr，一般為ms級[19, 23]，遠小于工頻電流的起始上升時間，可以忽略。

圖5 二極管導通特性

二極管由導通到截止的過程稱之關斷，須經過一段時間才能反向阻斷電流，進入截止狀態；這段時間稱之反向恢復時間rr，由延遲時間d=1-0與下降時間f=2-1組成。關斷之初有較大的反向電流RM出現，并伴隨有一定的反向電壓過沖RM。本文采用的二極管反向恢復時間rr為4.2ms。

圖6 二極管關斷特性

機電混合斷路器中大功率二極管的電流導通時間一般不長于一個工頻半波，可按浪涌電流特性選擇器件參數。本文樣機采用的二極管通態平均電流FR為2.4kA，由式（1）可得，正常分斷的正弦電流峰值m為7.6kA。

2 新型機電混合斷路器實驗平臺與仿真建模

2.1 實驗平臺的搭建

為驗證機電混合斷路器的工作機理，搭建了基于振蕩回路的機電混合斷路器大電流實驗平臺，圖7為實驗平臺的電路原理。圖7中，i和i分別為振蕩回路的電容和電感，二者振蕩產生50Hz的工頻試驗電流。DB為投入開關，用來控制電流源放電。AB為輔助保護開關。CB1、CB2、VD1、VD2組成機電混合斷路器。LC的額定參數為：電容i=56mF；電感i=0.18mH。

圖7 實驗平臺

2.2 新型機電混合斷路器的仿真

機電混合斷路器的仿真模型是基于新型拓撲及實驗平臺參數建立的，采用PSCAD電磁暫態仿真軟件進行仿真分析。其中，電弧電壓設為20V，單只二極管的閾值設為0.86V。分閘過程如圖8所示，設CB1與CB2在同一半波動作，CB1流過系統電流。CB2在5ms時刻觸頭分離開始燃弧，電流由CB2轉移至VD2，到5.78ms時刻，電流完全轉換至VD2，CB2斷口進入介質恢復過程。10ms時刻電流過零，此時CB2已經完成介質恢復過程，不存在DR與TRV競爭過程，可以承受系統暫態恢復電壓。

圖8 機電混合斷路器分斷過程典型仿真曲線

圖9為傳統機械式開關關合10mF電容器組的過程。在5ms時刻真空滅弧室發生預擊穿關合電容器，導致電路出現高頻涌流電流，幅值達到3.0(pu)，嚴重威脅系統安全。

圖9 傳統機械式開關合閘電容器組的仿真波形

圖10為新型機電混合式斷路器關合10mF電容器組過程的電流波形。其中由于CB1與CB2在關合后電流相同，為顯示效果，在圖10中CB1取反。在5ms前電流負半波時CB1閉合，在5ms時刻系統電流變為正半波，回路經由CB1和VD2導通。10ms時刻CB2無弧閉合，電流轉移由VD2轉移至CB2，回路正常導通。新型機電混合式斷路器關合電容器組時電流幅值只有0.1(pu)，遠小于傳統機械式開關的關合過程。

圖10 新型機電混合斷路器合閘電容器組的仿真波形

3 樣機實驗分析

3.1 開斷過程的電流轉移

圖2所示的機電混合斷路器實驗樣機在圖7的實驗平臺上進行合分實驗，圖11為轉移電流峰值為3kA時，開斷電流轉移過程的實驗波。

圖11 典型開斷過程電流轉移曲線

可以看出，5.5ms時CB2開始退超程，但斷口間電壓達到二極管的導通閾值之前，二極管未導通。7.2ms時CB2退超程結束，動靜觸頭分離，產生電弧，CB2中電弧電壓超過VD2的導通閾值，VD2導通。經400ms電流完全轉移至VD2后，CB2觸頭間電弧由于電流過零而熄滅。13.4ms時系統電流過零，滅弧室CB1中電流過零，電弧熄滅。二極管VD2由于電壓反向而截止，暫態恢復電壓加在CB2及VD2兩端。由于CB2熄弧后的恢復時間達5.8ms，此時介質已完全恢復，能夠承受系統暫態恢復電壓，開斷成功。

圖12為開斷時電流轉移峰值達到5kA時的電流轉移實驗波形。整個電流轉移過程與圖11基本一致。不同之處在于：大電流情況下，CB2觸頭間電壓由于大電流而增大，在退超程階段就已達到二極管的導通閾值，使二極管VD2導通，由于二者電壓差值不大，前期電流轉移至二極管VD2的電流不完全，造成二極管與并聯斷口共同承擔故障電流。當觸頭分離產生電弧時，電弧電壓瞬間增加，電流快速轉移至二極管VD2。由于二極管存在飽和效應，在大電流情況下，二極管轉移電流過程達到1.6ms。

圖12 開斷5kA時的電流轉移曲線

3.2 關合過程的電流轉移

圖13為典型的關合過程電流轉移曲線。這里設負載為純阻性，即電壓與電流同相位。如圖13所示，CB1在0時刻前已經合閘，由于電路未導通，CB1無電流動作。在6.7ms時刻，CB2無弧關合，電流由VD2向CB2轉移。經500μs后，電流全部轉移至CB2，VD2截止，電流流經CB1、CB2形成回路，電流轉移完成。9.8ms時刻CB2合閘彈跳分離，此時電流轉移至VD2，10.5ms時觸頭關合，電流轉移回CB2。關合過程中，CB2兩端電壓在未閉合前為與之并聯的二極管VD2兩端的電壓降，且無電流流過，因此CB2關合過程不會發生預擊穿，彈跳期間通過電流轉移使得電流可以平滑過渡。

圖13 典型關合過程電流轉移曲線

3.3 電流轉移過程的影響因素分析

電流轉移是機電混合斷路器的重點關注過程。定義電流轉移時間為兩種開關之間的電流從開始轉移到90%峰值所用時間；定義電流轉移率為實際轉移電流峰值與轉移時間之比。圖14為樣機條件下電流轉移時間與電流轉移峰值的實驗歸納。可以看出，隨著電流轉移峰值的增加，電流轉移時間也隨之增加。在小于3kA時，電流轉移時間小于500ms，即轉移率在6A/ms以上，當轉移電流超過3kA后，二極管電壓隨電流增加而明顯增大，二極管達到通態峰值電壓，電流成功轉移的分散性增大，電流轉移率開始減小，且隨著轉移電流峰值的增加而不斷減小。當電流轉移峰值達到5.5kA時，電流轉移率在3A/ms以下，轉移電流峰值曲線隨時間增加而趨于水平，表明電流轉移已經到達了飽和值。

圖14 電流轉移時間曲線

圖15為電流轉移時間曲線與10kA正弦電流變化關系。電流轉移較慢時對應的是工頻電流峰值附近，系統工頻電流瞬時值高對應的是相對長的到達零點時間。若滅弧室在電流峰值點附近開斷，則電流轉移如圖12所示的由滅弧室和二極管共同承擔電流。而當電流下降至小于飽和值后，由于過零前工頻電流下降率小于電流轉移率，如電流為3kA時，電流轉移需400ms，而工頻電流從3kA降到零需1ms，系統電流可以迅速轉移至二極管，滅弧室可以實現無暫態分斷，不會出現CB2持續燃弧至系統電流過零的情況。因此在開斷小于10kA故障電流時，無論滅弧室的開斷時刻在任何相位，電流均能快速轉移至二極管，實現無DR與TRV競爭的無暫態分斷。因此，二極管電流轉移率對實際分斷過程的影響有限，在應用中二極管的電流參數留有一定的冗余。

圖15 轉移電流時間與工頻電流關系曲線

新型機電混合斷路器的電流轉移過程是實現其功能的關鍵，電流轉移過程的具體參數及特性與二極管動態特性等微觀過程和參數相關，需后續深入研究探索和多學科交叉的理論支持。

4 結論

新型機電混合斷路器結合了機械式開關與電力電子器件各自的優勢、克服二者的短板。本研究提出用于配電網的機電混合斷路器新的拓撲結構，在中壓斷路器范圍內實現無暫態分合閘操作。具體結論如下：

1）提出一種由雙斷口真空滅弧室并聯背靠背整流二極管組成，用于配電網的新型機電混合斷路器。本拓撲結構操作靈活，保留了兩種開關各自的優點，采用二極管可以無需控制單元實現電流轉移過程，應用真空滅弧室可達到中壓配電斷路器等級的性能參數。

2）本文提出的新型機電混合斷路器正常工作狀態下真空滅弧室導通電流，通態損耗可以忽略不計；合分閘操作時電流轉移到二極管回路，零區過程由并聯二極管主導，可以實現系統的雙向無暫態分合閘操作，有效降低觸頭燒蝕、弧后DR與TRV的競爭、涌流等暫態過程，提高滅弧室的電壽命及開斷成功率。

3）新型混合斷路器的電流轉移特性與二極管參數相關，存在飽和效應。本實驗條件下當機電混合斷路器樣機中電流轉移峰值達到3倍額定值時電流轉移率開始減小，達到5倍額定值時電流轉移趨向于飽和。但由于較高的電流瞬時值對應更長的過零時間，零點附近的電流下降率小于電流轉移率，因此對轉移10kA以下工頻電流的實際影響并不大，均能實現無暫態開斷。

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Analysis on Novel Electro-Mechanical Hybrid Circuit Breaker and Its Current Commutation Process

11,211

（1. School of Electrical Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China 2. Computer Basic Experimental Teaching Center Dalian University of Technology Dalian 116024 China）

In order to reduce the influence of transient process caused by the action process of the traditional mechanical circuit breaker, such as contact ablation, the competition between transient recovery voltage (TRV) and dielectric recovery (DR) process, and closing inrush current, this paper proposes a new type of electro-mechanical hybrid circuit breaker (EM-HCB) topology for the distribution system. In the topology, the double-break interrupters were responsible for carrying the rated current. During the action process, the current was commutated to the back-to-back high-power rectifier diodes in parallel, and the diodes completed the current zero-crossing process of the circuit breaker. This topology can eliminate the transient process that may be generated by the above closing and opening operations and maintain the advantages of mechanical and electrical switches. Firstly, the theoretical model and simulation of this topology were carried out to describe the action process of the novel EM-HCB. Then the experimental prototype was built to carry out current commutation characteristic experiments of the electro-mechanical part. The simulation and experimental results show that the time of the current commutation is affected by the characteristic parameters of the diode, and there is a saturation effect of the current commutation rate. When the peak value of the commutation current reaches three times the rated current of the diode, the current commutation rate begins to decrease. When it reaches five times, the current commutation tends to be saturated. The proposed topology can realize micro arc or non-arc breaking of 10kA short-circuit current under typical parameters. The electro-mechanical hybrid mode of the circuit breaker is of great significance to developing power switches.

Current commutation, electro-mechanical hybrid circuit breaker (EM-HCB), high power diode, non-arc breaking

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211547

TM561

國家自然科學基金資助項目（52077025）。

2021-9-29

2021-11-09

郭興宇 男，1989年生，博士研究生，研究方向為機電混合斷路器及運動特性。E-mail: guoxy2014@mail.dlut.edu.cn

黃智慧 男，1982年生，工程師，碩士生導師，研究方向為智能電器、無線電能傳輸、限流技術等。E-mail: huangzhihui@dlut.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）