新型混合型限流断路器在直流电力系统中的限流特性研究

阶段Ⅴ（t4 ~ t5）：VT1 关断后，C 的放电电流转移到 续流二极管 VD1 上直到二极管 VD1 零电流关断。
阶段Ⅵ（t5 ~ t6）：C 反向充电直到 VT3 上的电流过 零截止。
阶段Ⅶ（ t6 ~ t7）：限流断路器两端电压超过 MOV 压敏电压值，压敏电阻继续限压吸能直到其电流过零 。
阶 段Ⅱ（t1 ~ t2）：动 静 触 头 开 始 分 离 ，SW 和 换 流 支路 VT1、VD2 换流。
阶 段Ⅲ（t2 ~ t3）：换 流 支 路 和 SW 换 流 结 束 ，电 流 全部从 VT1、VD2 上流过。
阶段Ⅳ（t3 ~ t4）：导通关断回路晶闸管 VT3，C 开始 放电关断 VT1，VT1 上的电流迅速下降到零截止。
器可将预期 100 kA、时间常数 5 ms 的直流短路电流限制到 16 kA 以内，限流分断时间小于 2 ms；限流分断
时间随着电流上升率的增加而减小，当 d i ／ d t 向 20 A ／ μs 趋近时，分断时间趋近于 1 ms。 通过三相整流发
电机直流系统预期 30 kA、时间常数 3 ms 短路限流试验，验证了仿真结果以及限流断路器在直流系统中限
c. 晶闸管承受的过电压、过电压上升率等指标参 数在其允许范围内。
d. 电容 C 的额定电压应大于其反向充电电压， 其预先储存的能量尽量小，以减小电容体积。
e. 开关 SW 从收到分闸信号到触头开始分离的 机械动作延时应尽量减小。
f. 当装置两端出现恢复电压时，开关 SW 的触头 间应形成足够的开距不被过电压击穿，防止触头间电 弧重燃。
国内外在新型无弧限流保护装置方面已开展了 深入的研究工作，特别是在固态开关方面取得了大量 成果 。 ［5-8］ 固态开关的优点是动作迅速、不存在电弧 且理论上可无限次重复使用，能够抑制短路电流的快 速上升。 但与机械开关相比，固态开关存在通态损 耗较大、通流和过载能力有限等缺点。 混合型限流 断 路 器 （HCLCB）正 是 在 这 样 的 背 景 下 被 提 出 并 看 好 的。 混合型限流断路器兼备了机械开关良好的静态 特性和固态开关快速无弧分断的动态特性，是国际上 新型限流技术的研究方向 。 ［9-12］
摘要： 针对直流电力系统高 d i ／ d t 短路电流难以分断的问题，开展了基于高速斥力开关的混合型限流断路
器在直流电力系统中的应用研究。 对限流断路器的工作原理、参数设计以及高速斥力开关的动作特性进行
了分析，采用 EMTP 仿真析了限流断路器在不同短路电流上升率下的限流特性。 仿真结果表明限流断路
第 31 卷第 5 期 2011 年 5 月
电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
Vol．31 No.5 May 2011
新型混合型限流断路器在直流电力 系统中的限流特性研究
王 晨，庄劲武，江壮贤，张晓锋，刘路辉，戴 超 （海军工程大学 电气工程系，湖北 武汉 430033）
i
iSW+ u
SW
L0
S
icom C0
VD0
MOV VT0 MOV L1
E
VT1
VD2
VD1
VT2
+ iC
R1
C
VT3 L VT4
图 1 混合型限流断路器 Fig．1 Circuit of HCLCB
第5期
王 晨，等：新型混合型限流断路器在直流电力系统中的限流特性研究
始分离，电流 i 将从 SW 上转移到换流支路上，然后 给 晶 闸 管 VT3（或 VT4）触 发 信 号 ，预 先 充 好 电 的 电 容 C 会给 VT1（或 VT2）一个反向电流，使 VT1（或 VT2）的电 流过零关断，VT3（或 VT4）触发信号是在给 VT0 触发信 号后 450 μs 时发出的。 压敏电阻 MOV 用于抑制系 统过电压和吸收线路电感上的能量。
流的快速有效性。
关键词： 高速斥力开关； 限流断路器； 混合型； 晶闸管
中图分类号： TM 563+.1
文献标识码： A
文章编号： 1006 － 6047（2011）05 － 0090 － 04
0 引言
随着舰船、地铁等直流电力系统容量的不断增大 ， 现有机械开关的极限分断能力已无法满足短路电流 分断的要求，巨大的短路电流会对电力设备造成严重 破坏 。 ［1-2］ 由于直流系统发生短路时没有电流过零的 条件，于是分断直流电弧非常困难。 传统框架式断 路器为了产生电流过零点，采取的办法是提高灭弧室 的电弧电压，当电弧电压超过电源电压时短路电流开 始下降，该方法的问题在于大短路电流的电弧对触头 的烧蚀会降低开关的使用寿命，灭弧室体积巨大，且 分断时间需要几十毫秒 。 ［3-4］ 因此，亟待研制一种能 对直流短路电流进行快速抑制且无弧的新型限流保 护装置。
uL
u
uL：20 V ／ div u：500 V ／ div i：5 kA ／ div
Iset
VT0 VT1 VT3
i
iC
0 t0 t1 t2 t3 t4t5 t6 50 μs
400 μs 50 μs 450 μs
t7 t：500 μs ／ div
图 2 限流断路器分断过程的典型电流、电压波形 Fig．2 Typical current and voltage waveforms of HCLCB
1.1 限流断路器工作原理 320 V ／ 3 kA 限流断路器方案如图 1 所示，其由高
速斥力开关 SW 和双 向 快 速 晶 闸 管 电 路 （VT1、VD2 和 VT2、VD1）并 联 组 成 ，可 用 作 双 向 限 流 保 护 。 电 容 C、 电感 L 和 VT3、VT4 组成晶闸管强迫关断回路，用于给 VT1 或 VT2 提 供 反 向 电 流 使 其 电 流 过 零 关 断 。 限 流 断 路器的基本原理是短路电流到达动作值后，给开关 SW 的 斥力线圈回路晶闸管 VT0 触发信号，同时给换 流 支 路 上 的 快 速 晶 闸 管 VT1（或 VT2）触 发 信 号 （维 持 400 μs），SW 经过约 230 μs 机械动作延时后触头开
电力自动化设备
第 31 卷
离所需的机械延迟时间，在静触头两端加上 8 V 的直 流电源，当合闸状态时触头两端的电压 u 为零，当动 静触头脱离接触时其两端的电压立即跃升为电源电 压，实验测得触头两端的电压波形如图 4 中电压 u 所 示，由图可知触头分离动作时间为 230 μs。
i：2 kA ／ div u：5 V ／ div
g. 压敏电阻标称的最大吸能值应大于其在系统 中实际吸能值的 2 倍以上。
依据以上参数设计要求，晶闸管 VT1 ~ VT4 采用了 KK 2 500 A ／ 2 500 V 快速晶闸管，可承受 500 A ／ μs 电 流变化率和 1 000 V ／ μs 电压变化率，试验测得晶闸 管 关 断 10 kA 浪 涌电流的临界关断时间为 53 μs 。 ［13］ 晶闸管 VT3、VT4 的 RCD 缓冲电路电容取 7.5 μF，电阻 取 5 Ω，二极管的作用是防止装置正常工作时缓冲电 容上充上电压。 VD1、VD2 采用了 ZK 2 500 A ／ 2 500 V 快 恢复整流管。 电容 C 取 1 mF，额定电压 2 kV，电感 L 取 3 μH。 MOV 采用 B80K320 型 4 个压敏电阻并 联，允许最大吸能 6 400 J。 1.3 高速斥力开关
斥力线圈回路中电容 C0 的放电电流波形如图 4 中 i 所示。 在电容放电初期斥力线圈中的电流以 150 A ／ μs 的上升率开始上升，并在大约 100 μs 之后 达到峰值约 7.6 kA，之后电流开始下降，由于续流二 极管 VD0 的作用，斥力线圈中的电流缓慢下降并最终 减小为零。 为了准确测量分闸过程动静触头初始分
i
u
t：50 μs ／ div
图 4 高速斥力开关的初始分闸特性 Fig．4 Initial moving characteristics of high speed
electro-magnetic repulsion switch
2 直流系统限流特性分析
在 EMTP 软件中建立图 1 的含限流断路器直流 电力系统模型，电源 E 采用 320 V 直流恒压源，通过 改变线路电阻 R1 和电感 L1 得到不同的预期短路电 流波形，来分析装置的限流特性。 仿真中限流断路 器的关断回路电容 C 为 1 mF，充电 1 100 V，电感 L 为 3 μH。 动作电流值分别设定 0.5 kA、2 kA、4 kA。 下 面分别对预期 30 kA 和 100 kA 下的短路限流特性进 行分析。 2.1 预期短路电流为 30 kA
设 定 线 路 电 阻 为 10.7 mΩ，即预期短路电流为 30 kA，通过改变线路电感值来得到不同的短路电流 上升率 di ／ dt，图 5（a）是不同 di ／ dt 下的短路电流 峰 值 Ip 与 di ／ dt 的关系，图 5（b）是总分断时间 tw（从短 路发生到短路电流减小到零的时间）与 di ／ dt 的关系。 由图 5 可知，短路电流峰值随着设定动作值和电流上 升率的增大而增大，短路电流都可以限制在 13 kA 以 内。 总分断时间随着设定动作值的减小而减小，随着 电流上升率的增大而减小，当 di／dt 向 20 A／μs 趋近时， 总分断时间向 1 ms 趋近，上升率较低的短路电流分 断时间较长，上升率较高短路电流分断时间较短。
自研的基于电磁斥力和永磁保持原理的新型高
速斥力开关如图 3 所示，它从上至下依次由永磁机构、 电磁斥力机构、触头机构 3 部分组成。 正常工作时， 永磁机构利用永磁体产生的吸合力将动铁心保持在
下极限位置，触头处于合闸位置。 发生短路故障时， 使斥力线圈通电工作，斥力线圈在斥力铜盘中感应出 电流方向相反的涡流，依靠铜盘与线圈产生的电磁斥 力推动运动部件快速向上运动。 当故障解除后，永 磁机构中的合闸线圈通电，使动触头向下恢复到合闸 位置。 当需要正常分闸时，给永磁机构中的分闸线 圈通电，使动触头向上运动到分闸位置。 触头操动 机构的合闸和分闸位置通过双稳态永磁机构产生的