混合式高壓直流斷路器關鍵技術研究

2023-08-14 02:21:16祝友成

通信電源技術 2023年10期

祝友成

（國網湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北武漢 430000）

0 引言

高壓直流輸配電系統的傳輸效率高、傳輸容量大、傳輸距離長，具有極高的經濟價值、社會價值與環境價值[1,2]。其關鍵技術之一為高壓直流斷路器（Direct Current Circuit Breaker，DCCB），斷路器是保障高壓直流輸配電系統可靠運行、控制以及保護的基礎[3,4]。斷路器需承載直流線路正常運行時的電流和故障電流[5]。

高壓直流輸配電系統不存在電壓、電流自然過零點，因此在斷路器分閘時將存在電弧，且滅弧較為困難，導致斷路器的動靜觸點發生融焊，無法分斷故障電流，進而發生事故[6-8]。

目前，國內外對于高壓DCCB 的研究可分為3 類，分別為機械式高壓DCCB 的結構與設計方法、固態高壓DCCB 的拓撲與設計方法以及混合式高壓DCCB 的拓撲與設計方法[9-12]。

機械式高壓DCCB 具有動作時間長，但是通斷損耗低的特點[13]。固態高壓DCCB 具有動作時間快，但是通斷損耗高的特點[14]。混合式高壓DCCB 具有機械式高壓DCCB 的通斷損耗低的優點，又具有固態高壓DCCB 動作迅速的優點，具有較為廣闊的應用前景。

相比于固態高壓DCCB 的時間常數，機械式高壓DCCB 的時間常數較大。即在合閘過程中，固態高壓DCCB 先導通。此時，機械式高壓DCCB 閉合時，可實現零電壓導通。在分閘過程中，固態高壓DCCB先導通，此時機械式高壓DCCB 關斷，可實現零電流關斷。

本文主要分析混合式高壓DCCB 的設計要點，即關鍵技術，包括電弧模型、電力電子器件串聯均壓、并聯均流等設計要點，為設計混合式高壓DCCB 提供技術指導。

1 機械式高壓DCCB 關鍵技術

混合式高壓DCCB 拓撲中包含機械式高壓DCCB與固態斷路器。對于機械式高壓DCCB 而言，在分閘瞬間，動靜觸頭間將產生電弧，電弧是制約該類型斷路器電壓等級、容量的主要因素。

電弧類型可分為2 類，分別為數學模型和黑盒模型。數學模型雖能夠精準描述電弧從發生到熄滅的整個過程，但是求解數學模型十分煩瑣、困難，求解時間長。黑盒模型則通過簡化與抽象的方法，描述斷路器中幾個關鍵參數之間的關聯，如電壓與電流間的關系。

由能量守恒定律可知，電弧現象模型可表示為

式中：dq/dt為單位長度時，電弧中能量變化率；e·i為電弧單位長度時所輸入的功率；Ploss為電弧單位長度時所釋放能量。

電弧模型可表示為

式中：g為電弧的電導；τ為時間常數；u為電弧電壓；uc為電弧電壓常量。

通過式（1）與式（2）可知，電弧電壓、電弧電導、電弧電壓常數與時間常數之間的關系。對于高壓直流輸配電系統，此模型可準確描述電弧的外部特性，對于研制機械式高壓DCCB 具有指導意義。

2 固態高壓DCCB 關鍵技術

固態高壓DCCB 主要由電力電子器件構成。然而高壓直流輸配電系統的容量較大，單個電力電子器件的額定電壓、額定電流不能滿足要求。因此，需采用電力電子器件串并聯實現增加固態高壓DCCB 的額定電壓與額定電流。

由于電力電子器件制造時存在參數差異以及性質差異，其串并聯時，將導致分壓不均與分流不均問題。

2.1 串聯分壓不均原因

以絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）為例，共有2 種工作過程，分別為靜態過程與動態過程。IGBT 共有4 種工作狀態，分別為關斷過程、開通過程、導通過程以及阻斷過程。

IGBT 的靜態過程-導通過程中，其壓降較低，各器件的壓降不同時也可正常工作。而阻斷過程中，IGBT 的漏電流、阻斷阻抗分布不均，IGBT 器件的分壓不均，將導致部分IGBT 兩端的電壓超過額定電壓，進而損害器件，因此在阻斷過程中需采用均壓策略。

IGBT 的動態過程的影響因素較大，如輸入電容、密勒電容等。此外IGBT 驅動信號的時序也可能導致IGBT 的開通瞬間與關斷瞬間不一致，從而導致IGBT兩端的耐壓值不平衡。開通瞬間滯后、關斷瞬間提前的IGBT 器件兩端將出現電壓尖峰，損壞IGBT 器件。

2.2 串聯均壓策略

IGBT 串聯均壓的前提是選擇同一批次、參數一致的器件，驅動電路設計保持一致，固態斷路器拓撲堆成。

對于靜態過程均壓，可通過并聯緩沖電阻實現均壓，且緩沖電阻可按照式（3）進行選取，即

式中：URM、IRM分別為IGBT 的峰值電壓以及漏電流；KU為均壓系數。

對于動態過程均壓，可通過并聯緩沖電路、電壓鉗位電路以及門極主動控制電路。其中并聯緩沖電路如圖1 所示，門極主動控制電路如圖2 所示，電壓鉗位電路如圖3 所示。

圖1 緩沖電路拓撲

圖2 門極控制電路

圖3 鉗位電路

圖3 中：DVC 為電壓上升率鉗位電路；PC 為峰值鉗位電路；TCC 為尾電流周期鉗位電路。

2.3 并聯不均流原因分析

IGBT 具有并聯運行存在不均流問題的特點，IGBT 并聯均流可分為靜態并聯均流過程與動態并聯均流過程。

對于導通狀態而言，受限于IGBT 的飽和導通壓降不一致，飽和壓降較小的IGBT 將承受較大的導通電流，導致器件損壞。

對于動態并聯均流，主要影響因素為器件自身參數不一致、門極驅動電路不一致，如門極電感、門極電阻等參數不一致，將導致開通提前、關斷滯后的IGBT 器件的瞬時電流較大。

2.4 并聯均流策略

實現IGBT 并聯均流同樣需選擇同一批次、參數一致的IGBT 器件。

IGBT 在靜態過程中并聯均流策略可通過串聯均流電阻實現，該電阻需比IGBT 的通態等效電阻大。靜態過程中并聯均流策略如圖4 所示。

圖4 靜態過程中并聯均流策略

IGBT 在動態過程中的并聯均流策略則通過改進門極驅動電路實現，如圖5 所示。

圖5 動態過程中并聯均流策略

3 輔助回路關鍵技術

混合式DCCB 還包括輔助電路，如緩沖吸收電路與故障電流限流回路等。

在高壓DCCB 關斷、開通瞬間，由于存在電感與電容，可能導致di/dt過高，從而產生瞬時高壓，損壞電力電子器件。該緩沖電路應能夠吸收電感中的能量，使IGBT 工作在零電壓、零電流的軟開關狀態，減少IGBT 的開通、關斷損耗。電力電子器件的關斷、開通動作迅速，線路電感中存儲的能量可通過吸收電路進行吸收。