一种混合式直流限流开关的设计与分析
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1
2 ZVS 和 ZCS 型开关的比较
(a)ZCS 开关 图1
(b)ZVS 开关
混合式开关原理图
假设开关动作时电弧电压为 vsw ，开关电流为
障时，控制机械开关分断，固态开关导通，短路电 流换流到固态开关支路，随后控制固态开关关断， 电流又快速转移到并联的能量吸收支路，达到快速 限制短路电路的目的。采用两次支路换流，是因为 开关电弧电压较低，直接由电弧电流向限流电阻转 移较为困难。
5 实验研究
参考文献
图8 实验样机外形图
图 8 所示是按照文中提出的 ZVS 混合式开关拓 扑结构制作的实验样机。样机开关的额定容量为 640V/2500A， 样机中使用的快速熔断器的额定电流 为 250A，通态电阻为 0.49mΩ。
图9
短路实验电路图
短路实验电路如图 9 所示。通过降压变压器将 上万伏高压降压后通过整流桥 M 得到 640V 模拟电 网电压。 实验时通过控制高压侧开关 K 时间长度为 55mS 的导通时间来模拟直流电网短路状态。模拟 电网的短路预期电流峰值为 100kA，短路电流时间 常数为 4.17mS。
图2
ZVS 型混合式开关拓扑结构
3 ZVS 开关的拓扑结构
图 2 所示是文献[2][3]中提出的 ZVS 型混合式 开关的基本拓扑结构，它主要包括三条并联的支 路：机械式斥力开关为通流支路，而固态开关和能 量吸收器件并联组成了整个换流回路。 整个开关过程中三条并联支路中的电流波形 如图 3 所示。它的工作过程是：电网正常运行时， 机械斥力开关闭合，固态开关关断，额定负载电流 通过机械开关，不会产生显著损耗；当电网短路故
图6
电磁斥力开关的试验电路图
图4
新型 ZVS 型混合式开关拓扑结构
这种方案中用快速熔断器代替了传统结构中 的固态开关支路和能量吸收支路。这里选用的快速 熔断器是专为电力电子器件过流保护设计的，具有 通态电阻小，弧前能量低等特点，而且它的额定电 流远小于电网系统额定电流，这些都保证了短路电 流从机械式斥力开关换流到快熔支路后能够在极 短的时间内将快熔熔断，从而达到迅速限制短路电 流的目的。
4 超快速电磁斥力开关设计
混合式限流技术的关键技术是动作以微秒记 的快速操动机构，根据现有技术，只有采用电磁斥 力开关[6][7]可以满足这种快速动作的要求。 电磁斥力开关的工作原理如图 5 所示。其中， 1 为驱动线圈（驱动盘） ，2 为运动铜盘（动盘） 。 当 K 闭合，由于回路电感很小，使线圈 1 中产生巨
电磁斥力开关的分析和设计由于涉及到电路、 电磁感应、电磁力、机械运动等多个动态方程，非 常复杂，当前多用有限元法分析[3]。试验电路如图 6 所示。图中 T 为升压变压器，二极管 D1 为线圈 提供续流电路，变压器通过 D2 向电容 C 充电，通 过晶闸管 G 的导通时间来控制电容器 C 的放电。 经 过实验阶段的不断测试和改进斥力线圈采用了印 刷电路板形式，这种形式主要有两方面的好处：一 是通过线圈与铝盘之间小距离减小线圈与动盘盘 之间的互感；二是可以在最小互感的基础上达到完 全绝缘的目的。采用这种方式在实验室的测试过程 当中取得了较为明显的效果。另外动盘在安装时使 用弹簧提供给开关触头一个适当的预紧压力，从而 保证触头接触良好。
一种混合式直流限流开关的设计与分析
毛海涛，杨锋，庄劲武，徐国顺
（海军工程大学电气工程系，武汉 430033）
摘
要：针对直流电网短路故障时迅速产生的短路电流， 提
isw ，电弧产生时间为 t arc ，则开关动作时电弧能量
为： E
t tarc t 0
出了一种零电压型混合式直流短路电网限流开关拓扑结构， 以超快速电磁斥力机构为通流支路， 用快速熔断器实现固态 开关和能量吸收支路的功能。开发出额定为 640V/2500A 的 原理样机，实验结果表明样机将预期峰值为 100kA，时间常 数为 4.17mS 的短路电流限制 10kA 以下，证明了所设计限 流开关工作的快速有效性。 关键词：混合式限流开关；ZVS；ZCS；电磁斥力开关；快 速熔断器
[1] 梅军，郑建勇 胡敏强等(Mei Jun,Zheng Jianyong ,Hu Minqiang,et al). 基于 IGBT 软关断的混合式限流断路器结构与分析 (Structure and analysis of a hybrid current limiting circuit breaker based on IGBT soft switching)[J]. 电 力 系 统 自 动 化 Automation of Electric Power System.2004,28(18):59-62 [2] Polman H, Ferreira J.A., Kaanders M, Evenblij B.H, Van Gelder P. Design of a bi-directional 600 V/6 kA ZVS hybrid DC switch using IGBTs. Industry Applications Conference, 2001. Thirty-Sixth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2001 IEEE,Volume 2 [3] P．van Gelder，J．A．Ferreira．Zero Volt Switching Hybrid DC Circuit breakers．IEEE IAS conference，May 2000 [4] Steurer M ， Ferohlich K ， Holaus W ， et al ． A Novel Hybrid Current-limmiting Circuit Breaker for Medium Voltage．Principle and Test Results．IEEE Trans on Power Delivery，2003． [5] Holaus W， Frohlich K． Ultra-fast Switches-A New Element for Medium Votage Fault Current Limiting Switchgear．Power Engineering Society Winter Meeting，Vol 1．Piscataway(NJ)：IEEE，2002． [6] S. Basu, et al. Electromagnetic force on a metal disk in an alternating magnetic field. IEEE Trans. Power Apparatus and systems, vol. PAS-88, No. 8, pp1281-1285, 1969 [7] R. Jungblut, R. Sittig. Hybrid high-speed DC circuit breaker using a charge-storage diode. 1998 Industrial and Commercial power systems technical conference. Papers presented at the 1998 annual meeting IEEE, New York 1998
2பைடு நூலகம்
图7
不同反力时的触头电压波形
图 7 是试验中使用的电磁斥力开关分别在无弹
簧和 100N 预紧弹簧力作用下对驱动线圈放电，测 得了驱动电流和触头电压波形。试验中电磁斥力开 关串联在一个电池与电阻的串联回路中。图中，从 上至下依次为驱动电流波形、100N 预紧弹簧力作 用时触头电压波形、 无弹簧时触头电压波形。 可见， 触头分断时刻几乎不受弹力大小的影响，但触头过 电压的大小却随着弹力的增大而增大。试验中各电 路、机械运动参数如下表 1 所示。
图3
ZVS 型混合式开关三条支路电流波形 图5 电磁斥力开关的原理图
在这种 ZVS 混合式限流开关的设计中主要有 三点关键技术：机械式斥力开关的设计、固态开关 支路的设计以及能量吸收器件的选择。机械式斥力 开关的设计将在下文做详细介绍。固态开关 [2][4][5] 现阶段通常采用 IGBT 和 IGCT 等电力电子器件组 成。由于电网短路功率的急剧增加，为了解决固态 开关耐流耐压的问题，通常采用多个电力电子器件 串并联来实现，这种方法实践证明既复杂可靠性又 低[2]。为了有效解决这个矛盾，本文提出了一种新 的 ZVS 开关的拓扑结构如图 4 所示。
表1 电磁斥力开关各项参数
0.98mF 1000V 0.75kg 9000A 5000g 5m/S 70uS 放电电容 电容初始电压 动盘质量 驱动电流峰值 动盘加速度峰值 动盘运动平均速度 触头分断时间
图 10
短路实验示波图
短路实验结果示波图如图 10 所示。从实验结 果可知，短路电流峰值被限制在 9.87kA，从短路到 电流峰值的时间为 0.54mS。 从短路到快速熔断器开 始建立弧压的时间约为 150uS，此时可以认为电磁 斥力机构支路上的电流已经完全换流到快速熔断 器上，快速熔断器燃弧弧压峰值为 1.37kV。从开始 短路到短路电流被截止整个过程的时间为 1.17mS。 实验表明， 该 ZVS 型混合式限流开关对于直流 电网短路故障能达到快速准确限流的要求。
6 结束语
通过分析比较 ZVS 和 ZCS 型混合式开关的原 理和特性， 给出了一种新型的 ZVS 混合式直流限流 开关方案和电路拓扑结构。分析了其设计结构，并 说明了其工作的各物理过程，对混合式开关的的关 键技术：超快速电磁斥力机构的设计进行了分析。 实际研制出 640V/2500A 的限流开关器样机，完成 了模拟直流电网突然短路限流实验，实际限流结果 证明所设计限流开关动作快速准确，能有效抑制短 路电流。
ZVS 和 ZCS 开关两种方案都降低了电弧的能 量。ZCS 开关依靠产生零电流，ZVS 开关依靠产生 零电压，两种方法又都减少了电弧存在的时间。两 种方案都是通过给机械开关布置了一条并联的电 路来实现。两种方案的原理如图 1 所示： ZCS 开关是通过并联支路在开关动作时释放 一个与主电流反方向的电流脉冲，从而实现机械开 关动作时的零电流； 而 ZVS 开关方式采用了一条并 联的换流电路，机械开关断开时电流换流至并联支 路同时保证开关两端电压很低，从而实现了开关动 作时的零电压。 在混合式开关的设计过程当中我们选择了 ZVS 开关形式。 ZCS 开关之所以没有被选择是因为 其需要大量的谐振元件和外部电源。 ZVS 开关形式 的另外一个优势就是在机械开关闭合的过程当中 可以避免触头拉弧，这是因为在开关接通时并联支 路提供了一条的换流电路。 ZVS 开关的不足就是需 要一些无弧电流关断器件，如电力电子器件等。
大的电流脉冲，和电容放电脉冲，线圈 1 产生的磁 场匝穿越铝盘 2，在铝盘中感应出电流，这个感应 电流所产生的磁场与线圈产生的磁场方向相反，线 圈 1 与铝盘之间立即产生斥力 F，使铜盘向上迅速 运动。放电时脉冲电流的增长速度 di/dt 越大，铝盘 中产生的感应电流也就越大，斥力越大。而当电流 不变化时，则斥力为零。
vswisw dt
（1）
1 引言
随着直流供电系统的功率急剧增加，其设计和 研制中都面临着许多全新的问题。其中一个瓶颈技 术就是，如何使短路电流被限制在保护设备的极限 通断能力之内。 目前国际上现有的解决方法，主要是加装限流 装置 （Fault Current Limiter, FCL） 。 有两种常用的解 [1] 决方案 ：传统机械开关导通稳定、带负载能力强， 但是响应速度慢、带电弧、稳定性和可控性差；而 固态限流开关响应速度快、无电弧，但是通态损耗 大、耐压水平低、不能完全开断电路而且给电网带 来了严重的谐波污染。混合型限流技术充分利用了 两种开关的优点并通过合理动作配合的设计来克 服其缺点，它能够随时检测系统故障电流状态并控 制开关的分断，又可以及时响应控制信号，是名副 其实的智能化保护设备，也是限流开关发展的方 向。混合式限流开关从功能实现上又主要分为两 种：零电流型 (ZCS)和零电压型 (ZVS)开关[2]。 本文在分析和比较了 ZCS 和 ZVS 型开关的原 理和特点基础上提出了了一种简单可行的零电压 型混合式限流方案，有效地抑制了短路电流。
2 ZVS 和 ZCS 型开关的比较
(a)ZCS 开关 图1
(b)ZVS 开关
混合式开关原理图
假设开关动作时电弧电压为 vsw ，开关电流为
障时，控制机械开关分断，固态开关导通，短路电 流换流到固态开关支路，随后控制固态开关关断， 电流又快速转移到并联的能量吸收支路，达到快速 限制短路电路的目的。采用两次支路换流，是因为 开关电弧电压较低，直接由电弧电流向限流电阻转 移较为困难。
5 实验研究
参考文献
图8 实验样机外形图
图 8 所示是按照文中提出的 ZVS 混合式开关拓 扑结构制作的实验样机。样机开关的额定容量为 640V/2500A， 样机中使用的快速熔断器的额定电流 为 250A，通态电阻为 0.49mΩ。
图9
短路实验电路图
短路实验电路如图 9 所示。通过降压变压器将 上万伏高压降压后通过整流桥 M 得到 640V 模拟电 网电压。 实验时通过控制高压侧开关 K 时间长度为 55mS 的导通时间来模拟直流电网短路状态。模拟 电网的短路预期电流峰值为 100kA，短路电流时间 常数为 4.17mS。
图2
ZVS 型混合式开关拓扑结构
3 ZVS 开关的拓扑结构
图 2 所示是文献[2][3]中提出的 ZVS 型混合式 开关的基本拓扑结构，它主要包括三条并联的支 路：机械式斥力开关为通流支路，而固态开关和能 量吸收器件并联组成了整个换流回路。 整个开关过程中三条并联支路中的电流波形 如图 3 所示。它的工作过程是：电网正常运行时， 机械斥力开关闭合，固态开关关断，额定负载电流 通过机械开关，不会产生显著损耗；当电网短路故
图6
电磁斥力开关的试验电路图
图4
新型 ZVS 型混合式开关拓扑结构
这种方案中用快速熔断器代替了传统结构中 的固态开关支路和能量吸收支路。这里选用的快速 熔断器是专为电力电子器件过流保护设计的，具有 通态电阻小，弧前能量低等特点，而且它的额定电 流远小于电网系统额定电流，这些都保证了短路电 流从机械式斥力开关换流到快熔支路后能够在极 短的时间内将快熔熔断，从而达到迅速限制短路电 流的目的。
4 超快速电磁斥力开关设计
混合式限流技术的关键技术是动作以微秒记 的快速操动机构，根据现有技术，只有采用电磁斥 力开关[6][7]可以满足这种快速动作的要求。 电磁斥力开关的工作原理如图 5 所示。其中， 1 为驱动线圈（驱动盘） ，2 为运动铜盘（动盘） 。 当 K 闭合，由于回路电感很小，使线圈 1 中产生巨
电磁斥力开关的分析和设计由于涉及到电路、 电磁感应、电磁力、机械运动等多个动态方程，非 常复杂，当前多用有限元法分析[3]。试验电路如图 6 所示。图中 T 为升压变压器，二极管 D1 为线圈 提供续流电路，变压器通过 D2 向电容 C 充电，通 过晶闸管 G 的导通时间来控制电容器 C 的放电。 经 过实验阶段的不断测试和改进斥力线圈采用了印 刷电路板形式，这种形式主要有两方面的好处：一 是通过线圈与铝盘之间小距离减小线圈与动盘盘 之间的互感；二是可以在最小互感的基础上达到完 全绝缘的目的。采用这种方式在实验室的测试过程 当中取得了较为明显的效果。另外动盘在安装时使 用弹簧提供给开关触头一个适当的预紧压力，从而 保证触头接触良好。
一种混合式直流限流开关的设计与分析
毛海涛，杨锋，庄劲武，徐国顺
（海军工程大学电气工程系，武汉 430033）
摘
要：针对直流电网短路故障时迅速产生的短路电流， 提
isw ，电弧产生时间为 t arc ，则开关动作时电弧能量
为： E
t tarc t 0
出了一种零电压型混合式直流短路电网限流开关拓扑结构， 以超快速电磁斥力机构为通流支路， 用快速熔断器实现固态 开关和能量吸收支路的功能。开发出额定为 640V/2500A 的 原理样机，实验结果表明样机将预期峰值为 100kA，时间常 数为 4.17mS 的短路电流限制 10kA 以下，证明了所设计限 流开关工作的快速有效性。 关键词：混合式限流开关；ZVS；ZCS；电磁斥力开关；快 速熔断器
[1] 梅军，郑建勇 胡敏强等(Mei Jun,Zheng Jianyong ,Hu Minqiang,et al). 基于 IGBT 软关断的混合式限流断路器结构与分析 (Structure and analysis of a hybrid current limiting circuit breaker based on IGBT soft switching)[J]. 电 力 系 统 自 动 化 Automation of Electric Power System.2004,28(18):59-62 [2] Polman H, Ferreira J.A., Kaanders M, Evenblij B.H, Van Gelder P. Design of a bi-directional 600 V/6 kA ZVS hybrid DC switch using IGBTs. Industry Applications Conference, 2001. Thirty-Sixth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2001 IEEE,Volume 2 [3] P．van Gelder，J．A．Ferreira．Zero Volt Switching Hybrid DC Circuit breakers．IEEE IAS conference，May 2000 [4] Steurer M ， Ferohlich K ， Holaus W ， et al ． A Novel Hybrid Current-limmiting Circuit Breaker for Medium Voltage．Principle and Test Results．IEEE Trans on Power Delivery，2003． [5] Holaus W， Frohlich K． Ultra-fast Switches-A New Element for Medium Votage Fault Current Limiting Switchgear．Power Engineering Society Winter Meeting，Vol 1．Piscataway(NJ)：IEEE，2002． [6] S. Basu, et al. Electromagnetic force on a metal disk in an alternating magnetic field. IEEE Trans. Power Apparatus and systems, vol. PAS-88, No. 8, pp1281-1285, 1969 [7] R. Jungblut, R. Sittig. Hybrid high-speed DC circuit breaker using a charge-storage diode. 1998 Industrial and Commercial power systems technical conference. Papers presented at the 1998 annual meeting IEEE, New York 1998
2பைடு நூலகம்
图7
不同反力时的触头电压波形
图 7 是试验中使用的电磁斥力开关分别在无弹
簧和 100N 预紧弹簧力作用下对驱动线圈放电，测 得了驱动电流和触头电压波形。试验中电磁斥力开 关串联在一个电池与电阻的串联回路中。图中，从 上至下依次为驱动电流波形、100N 预紧弹簧力作 用时触头电压波形、 无弹簧时触头电压波形。 可见， 触头分断时刻几乎不受弹力大小的影响，但触头过 电压的大小却随着弹力的增大而增大。试验中各电 路、机械运动参数如下表 1 所示。
图3
ZVS 型混合式开关三条支路电流波形 图5 电磁斥力开关的原理图
在这种 ZVS 混合式限流开关的设计中主要有 三点关键技术：机械式斥力开关的设计、固态开关 支路的设计以及能量吸收器件的选择。机械式斥力 开关的设计将在下文做详细介绍。固态开关 [2][4][5] 现阶段通常采用 IGBT 和 IGCT 等电力电子器件组 成。由于电网短路功率的急剧增加，为了解决固态 开关耐流耐压的问题，通常采用多个电力电子器件 串并联来实现，这种方法实践证明既复杂可靠性又 低[2]。为了有效解决这个矛盾，本文提出了一种新 的 ZVS 开关的拓扑结构如图 4 所示。
表1 电磁斥力开关各项参数
0.98mF 1000V 0.75kg 9000A 5000g 5m/S 70uS 放电电容 电容初始电压 动盘质量 驱动电流峰值 动盘加速度峰值 动盘运动平均速度 触头分断时间
图 10
短路实验示波图
短路实验结果示波图如图 10 所示。从实验结 果可知，短路电流峰值被限制在 9.87kA，从短路到 电流峰值的时间为 0.54mS。 从短路到快速熔断器开 始建立弧压的时间约为 150uS，此时可以认为电磁 斥力机构支路上的电流已经完全换流到快速熔断 器上，快速熔断器燃弧弧压峰值为 1.37kV。从开始 短路到短路电流被截止整个过程的时间为 1.17mS。 实验表明， 该 ZVS 型混合式限流开关对于直流 电网短路故障能达到快速准确限流的要求。
6 结束语
通过分析比较 ZVS 和 ZCS 型混合式开关的原 理和特性， 给出了一种新型的 ZVS 混合式直流限流 开关方案和电路拓扑结构。分析了其设计结构，并 说明了其工作的各物理过程，对混合式开关的的关 键技术：超快速电磁斥力机构的设计进行了分析。 实际研制出 640V/2500A 的限流开关器样机，完成 了模拟直流电网突然短路限流实验，实际限流结果 证明所设计限流开关动作快速准确，能有效抑制短 路电流。
ZVS 和 ZCS 开关两种方案都降低了电弧的能 量。ZCS 开关依靠产生零电流，ZVS 开关依靠产生 零电压，两种方法又都减少了电弧存在的时间。两 种方案都是通过给机械开关布置了一条并联的电 路来实现。两种方案的原理如图 1 所示： ZCS 开关是通过并联支路在开关动作时释放 一个与主电流反方向的电流脉冲，从而实现机械开 关动作时的零电流； 而 ZVS 开关方式采用了一条并 联的换流电路，机械开关断开时电流换流至并联支 路同时保证开关两端电压很低，从而实现了开关动 作时的零电压。 在混合式开关的设计过程当中我们选择了 ZVS 开关形式。 ZCS 开关之所以没有被选择是因为 其需要大量的谐振元件和外部电源。 ZVS 开关形式 的另外一个优势就是在机械开关闭合的过程当中 可以避免触头拉弧，这是因为在开关接通时并联支 路提供了一条的换流电路。 ZVS 开关的不足就是需 要一些无弧电流关断器件，如电力电子器件等。
大的电流脉冲，和电容放电脉冲，线圈 1 产生的磁 场匝穿越铝盘 2，在铝盘中感应出电流，这个感应 电流所产生的磁场与线圈产生的磁场方向相反，线 圈 1 与铝盘之间立即产生斥力 F，使铜盘向上迅速 运动。放电时脉冲电流的增长速度 di/dt 越大，铝盘 中产生的感应电流也就越大，斥力越大。而当电流 不变化时，则斥力为零。
vswisw dt
（1）
1 引言
随着直流供电系统的功率急剧增加，其设计和 研制中都面临着许多全新的问题。其中一个瓶颈技 术就是，如何使短路电流被限制在保护设备的极限 通断能力之内。 目前国际上现有的解决方法，主要是加装限流 装置 （Fault Current Limiter, FCL） 。 有两种常用的解 [1] 决方案 ：传统机械开关导通稳定、带负载能力强， 但是响应速度慢、带电弧、稳定性和可控性差；而 固态限流开关响应速度快、无电弧，但是通态损耗 大、耐压水平低、不能完全开断电路而且给电网带 来了严重的谐波污染。混合型限流技术充分利用了 两种开关的优点并通过合理动作配合的设计来克 服其缺点，它能够随时检测系统故障电流状态并控 制开关的分断，又可以及时响应控制信号，是名副 其实的智能化保护设备，也是限流开关发展的方 向。混合式限流开关从功能实现上又主要分为两 种：零电流型 (ZCS)和零电压型 (ZVS)开关[2]。 本文在分析和比较了 ZCS 和 ZVS 型开关的原 理和特点基础上提出了了一种简单可行的零电压 型混合式限流方案，有效地抑制了短路电流。