基于超高速無弧開斷技術的新型城市軌道交通直流斷路器研究

0 引言

“十四五\"規劃指出，軌道交通運營里程預計將超過 13 000km 。直流斷路器及直流保護裝置是整個系統的關鍵核心設備之一。

直流斷路器是近年來直流電源系統中重要的故障排除手段，其相關技術研究一直是直流電源系統保護領域研究熱點。

當前我國城市軌道交通直流斷路器多為空氣式斷路器產品，開斷時間較長，無法快速抑制短路電流，短路沖擊較大[1]。

ABB公司于2012年采用電阻過零換相方法，開發了世界上第一臺 320kV 混合直流斷路器[2]。2015年，清華大學基于創新的換相原理和電力電子開關技術開發了一種耦合負壓混合直流斷路器[3]。2018年，南瑞開發了 500kV 整流器混合高壓直流斷路器原型[4]。直流斷路器技術的發展對地鐵直流牽引供電系統的安全運行具有重要意義。

本文分析了混合式直流斷路器的拓撲結構和工作原理，研究了一種基于超高速無弧開斷技術的混合式1500V直流斷路器，可實現快速故障排除，降低直流系統短路時對牽引系統及機車等設備的短路沖擊，保證地鐵直流牽引供電系統的安全穩定運行。

1電路拓撲結構設計

根據地鐵直流斷路器技術參數，為解決行業痛點，實現開斷速度快、無弧以及免維護等，提出基于電弧電壓強制轉移型超高速混合電磁操作機構的新型軌道交通直流斷路器，整個拓撲包括通流支路、轉移支路和耗能支路，其電路拓撲原理如圖1所示。

通流支路采用弧壓增強型真空超高速機械開關，主要負責直流斷路器合閘狀態下長期穩態通流，并在故障時短時耐受故障電流。

轉移支路由一級二極管橋式整流閥組串聯構成，負責直流負荷開關開斷過程中短時承載電流以及開斷功能。

耗能支路主要包括多級氧化鋅避雷器（MOV），用于抑制關斷電壓及吸收系統感性元件儲存的能量，負責吸收耗散開斷后的系統殘余能量。

同時配置有綜合保護裝置，實現包括直流斷路器分、合閘控制和系統保護的功能。

2 工作原理

分位狀態下，通流支路的真空超高速機械開關處于分閘狀態，轉移支路IGBT處于閉鎖狀態。

2.1 合閘過程

當直流斷路器接收到合閘動作指令后，首先控制轉移支路IGBT導通，立即接通系統電流，并經過一段延時后控制通流支路真空超高速機械開關閉合，導通承載系統穩態運行時的電流，如圖2所示。

2.2 分閘過程

當直流斷路器大電流脫扣接收到保護分閘或分閘動作指令后，主要分閘過程如下：

1）超高速機械開關分閘：直流斷路器大電流脫扣收到保護分閘或者分閘動作指令后，發送超高速機械開關分閘指令，超高速機械開關機械觸頭開始分離并燃弧，此時轉移支路IGBT仍處于閉鎖狀態，系統電流仍流過超高速機械開關，如圖3所示。

2）轉移支路導通：當超高速機械開關觸頭分離達到一定開距后，控制轉移支路IGBT導通，電流在超高速機械開關真空電弧電壓作用下向轉移支路轉移，如圖4所示。

3）轉移支路閉鎖：當系統電流完全轉移至轉移支路后，控制轉移支路IGBT閉鎖。此時超高速機械開關中無電流，且已經達到了絕緣開距，IGBT閉鎖后，產生的過電壓將系統電流向耗能支路轉移，如圖5所示。

4MOV耗能：耗能支路MOV動作，系統電流完全轉移至耗能支路。系統電流經過MOV消耗并逐漸降低至零，如圖6所示，完成整個開斷過程。

3 新型直流斷路器設計

3.1 超高速機械開關設計

根據地鐵混合式直流斷路器的拓撲結構與工作原理，通流支路采用弧壓增強型真空超高速機械開關，主要負責直流斷路器合閘狀態下長期穩態通流、穩態或故障電流下的快速換流與絕緣建立，并在故障時短時耐受故障電流[5]。

超高速機械開關采用基于電磁斥力的機構，單相電磁斥力機構原理如圖7所示，主要工作原理是預先充電的儲能電容向分閘或合閘線圈放電，線圈脈沖電流在金屬盤中感應出渦流，渦流產生的磁場與線圈脈沖電流產生的磁場相互作用產生電磁斥力，推動斥力盤以及連桿運動，實現機構的快速運動，完成分合閘動作。

3.2 滅弧室設計

滅弧室采用真空設計結構，以真空為熄弧介質。在傳統真空滅弧室的基礎上，優化觸頭結構和屏蔽筒材料、觸頭與屏蔽筒的距離等參數，進行試驗驗證，提高弧壓大小，增強觸頭的耐燒蝕能力。進一步優化外加磁場的擾動強度、介入時間等參數，實現在最小的擾動能量下達到高弧壓的設計需求，能夠在極短時間內熄滅電弧，避免電弧對設備造成損害]。

3.3 電子式脫扣設計

電子式脫扣的控制系統架構如圖8所示，直流斷路器的控制板卡通過電流傳感器采集系統電流，并快速判斷電流值是否達到動作門檻值，同時控制超高速機械開關以及轉移支路IGBT閥組等動作，完成分合閘操作。

3.4直流斷路器整機設計

混合式地鐵直流斷路器整機采用緊湊化設計方案，集成了超高速機械開關、大容量閥組、觸發控制回路、測試回路、推進機構等。整體布局采用上下結構形式，底盤車布置在手車中間，機械開關、閥組放置在手車上半部分，便于檢修和接線。觸發回路放置在下方外側，便于安裝檢修。測試回路單獨放置在手車內側下半部分，實現一、二次回路分離。整機結構設計圖如圖9所示。

4新型直流斷路器開斷性能驗證

4.1 新型直流斷路器的開斷試驗

根據IEC61992-2-2014要求，C型斷路器近端故障試驗條件如表1所示。

完成新型直流斷路器開斷能力試驗平臺搭建，試驗回路原理圖如圖10所示，試驗回路滿足 10kA/ms 的上升率需求，最大開斷電流為 60kA 。

完成整機大電流開斷試驗，開斷電流 60kA ，截斷時間 2.0ms ，開斷試驗結果如圖11所示。

4.2 新型直流斷路器掛網示范應用

研究設計的超高速無弧開斷技術的新型直流斷路器順利完成型式試驗，在廣州地鐵一號線西塑車輛段變電所進行掛網驗證，掛網驗證變電所主接線圖如圖12所示。掛網示范期間，憑借先進的真空滅弧技術和高效的操動機構，發生短路故障時，新型直流斷路器能迅速切斷電流，全開斷時間小于 15ms ，極大地降低了短路電流對設備的沖擊。

相比傳統機械式斷路器，新型直流斷路器在開斷短路電流關鍵指標上性能優越。本項目目標產品與國內外同類產品技術對標情況如表2所示。

5 結束語

本文首先介紹了新型直流斷路器電氣拓撲結構，圍繞主通流支路、轉移支路以及能量耗散支路，分析了直流斷路器的工作原理和工作過程。其次研究了低壓大電流真空滅弧室、混合型電磁超高速操作機構以及脈沖電流觸發單元，提出了無弧真空型直流斷路器核心部件的設計方法。新型直流斷路器實現了短路發生時觸發吹弧電路，短路電流從主機械開關轉移到轉移支路，電磁能量在MOV回路耗散，主機械開關過零熄弧。

掛網示范表明，本文研究的超高速無弧開斷技術的新型直流斷路器可以在毫秒級完成故障切斷，切斷過程中電壓和電流穩定，沒有突變，具有良好的故障切斷性能。新型直流斷路器的成功研發與掛網示范，將會推動軌道交通直流斷路器技術的快速發展，進一步提高直流牽引供電系統的可靠運行。

[參考文獻]

[1]王華清.城市軌道交通混合式直流斷路器高速分斷關鍵技術研究[D].鄭州：鄭州大學，2019

[2]陳寧.柔性直流電網電力電子裝備過電壓仿真模型及其應用[D].北京：華北電力大學（北京），2019.

[3]余占清，曾嶸，屈魯，等.混合式直流斷路器的發展現狀及展望[J].高電壓技術，2020，46（8）：2617-2626.

[4]石巍，曹冬明，楊兵，等.500kV整流型混合式高壓直流斷路器[J].電力系統自動化，2018，42（7）：102-107.

[5]裘鵬，黃曉明，陸翌，等.混合型直流斷路器中高速開關的研究[J].電工電氣，2015（12）：10-14.

[6]辛業春，孫浩然，王威儒，等.混合式高壓直流斷路器開斷過程整機應力特性研究[J].高壓電器，2023，59（6）：40-47.

[7]軌道交通地面裝置直流開關設備第2部分：直流斷路器：GB/T25890.2—2010[S].