混合型中压直流真空断路器的研究混合型中压直流真空断路器的研究

化，其地位从辅助系统变成主动力系统，容量急剧增 真空限流断路器， 并进行了 180 A 小电流、1.9 kA 近
大。 直流区域配电以其高效、灵活的优点成为系统网 额定电流和 10 kA 短路电流 3 种不同工况下的开断
络的首选，舰船电力迈向中压直流系统[1-2]。舰船 直 流 实验[9]。 西安交通大学研制的人工过零真空断路器进
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第 50 卷 第 5 期 2014 年 5 月
High Voltage Apparatus
Vol.50 No.5 May 2014
混合型中压直流真空断路器的研究
刘路辉， 庄劲武， 江壮贤， 王 晨
（海军工程大学， 武汉 430033）
摘要： 提出了一种基于强迫换流原理的混合型中压直流真空断路器方案。 阐述了关键部件如斥力真空触头
第 50 卷 第 5 期
设计的脉冲功率组件单元示意图见图 4， 每个 组件由多个这样的单元构成。 每个单元分别并联了 静态均压电阻 Rp、动态吸收电路 Rb、Cb，光纤触发板 串联在静态均压电路中实现等电位取电。 将图中晶 闸管换成二极管， 去除触发板则构成了二极管组 件。 所有器件均对阻断特性(漏电流)、开通特性(IGT、 VGT)、恢复特性一致性进行了筛选。 Rp 保证器件在 阻断状态下的静态电压均衡，选取原则是在工作电 压下让流过电阻的电流为器件漏电流的 2~5 倍。 RC 吸收电路进行动态均压，减小器件的开通和恢复过 程中差异的影响， 将电压不均衡限制在一定范围 内。 其取值与串联器件恢复特性及工作条件有关， 一般可选择：Cb=0.1~0.4 μF，Rb=8~20 Ω， 耐压选为 并联器件耐压的 1.1~1.5 倍； 具体 R、C 取值可根据 组件型号及工作情况调试决 定。 需注意 的是 Rb、Cb 应选择无感电阻和无感电容，并用尽量短的线就近 连 接 在 器 件 两 端[19]。
斥力真空触头机构 VI 上并联二极管组件 D 使 分断过程中恢复过电压出现的时刻后移，为触头电 流过零后动静触头间介质恢复创造了近似零电压 的恢复过程，增强了触头间隙后续承受恢复电压的 能力，提高了分断可靠性。 在电感 L 两端并联续流 二极管的目的是为了减小晶闸管组件通过浪涌电 流后截止时的 du/dt 和降低电容反充电压幅值。 基 于强迫换流原理的 HDCVB 通流能力强， 分断电流 高，且分断时间短，限流效果和工程适用性好。
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）
Abstract: A hybrid medium voltage DC vacuum breaker （HDCVB）based on forced commutation principle is proposed. The method for improving the current-carrying capacity and initial speed of repulsion driving vacuum interrupter，the means for series application and of strong pulse power transistors, and the basic design criterion of MOA are discussed，and the research work that has been carried out is described. Moreover，the commutation process is analyzed theoretically. A 5 kV/6 kA HDCVB was designed, and a series of tests were conducted to verify the effectiveness of the theoretical analysis and the parameters selection. Key words: hybrid；medium voltage；DC breaker；repulsion driving vacuum interrupter；pulse power transistor；
笔者首先介绍基于强迫换流原理的混合型中
基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 (51207166，51377166，51307179)资 助 。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51207166，51377166，51307179).
换流电流投入开关晶闸管组件和并联的二极 管组件是 HDCVB 的关键技术之一。 它们的运行特 点是电压高、电流峰值大、电流上升快、脉宽窄、能 量释放迅速。 目前成熟产品，单管耐压仅能做到 4~ 9 kV，而脉冲功率组件实际工作中可能承受最高达 20 kV 左右的电压(分闸状态下，晶闸管组件 F 承受 系统电压与电容预充电压之和)。 因此，不得不采取 多个器件串联来满足阻断电压的需要。 串联组件在 静态承压和动态关断过程 (晶闸管还涉及动态开通 过程)必须增加均压措施。 组件在导通过程中还将承 受数十倍于额定电流的脉冲电流，器件瞬间承受极 大的热功率，要求芯片具有低的开通损耗、导通功 率和开通快速性， 否则将面临热击穿损坏的风险。 断路器合闸状态下， 晶闸管组件长期承受电压，漏 流引起的功率损耗将影响电容充电功率和整机工 作状态下的热平衡。 为此专门进行了器件漏流随温 度变化关系的摸底试验， 结果表明拐点在 100 ℃左 右。 整机设计时，需通过散热片等措施将脉冲功率 组件温度控制在漏流急剧增大的拐点温度内。
分闸时，控制器发出信号触发晶闸管，驱动电 容对斥力线圈 6 放电， 产生数百微秒的大脉冲电 流，斥力盘由于产生涡流与脉冲电流相互作用产生 了巨大的电磁斥力，推动触头弹簧绝缘子 3 克服合 闸弹簧的压力向上运动，使触头分离。 从控制器发 出信号 到触头 实 现 电 气 分 离 的 始 动 延 时 为 200 μs 左右，完成 5 mm 开距仅需不到 2 ms 的时间。 分闸 到位后， 锁脱扣机构 1 迅速动作将运动轴锁扣，在 触头间形成额定开距， 耐受分断过电压或系统电 压。 为了提高动触头初始速度，课题组从减小运动 部件质量和 电气 驱 动 参 数 方 面 进 行 了 优 化 设 计[17]。 灭弧室触头结构、材料选择和驱动机构的运动特性
合闸时， 控制器发出合闸信号给锁脱扣机构， 电磁铁打击脱扣器释放运动轴， 在合闸弹簧作用 下，触头经过振动弹跳后，最终保持在合闸位置。 合 闸弹跳容易引起触头间短弧， 造成触头面严重烧 蚀，熔焊等问题。 通过在运动轴上增加触头弹簧绝 缘子， 可以有效地缓解合闸时冲击振动和触头回 弹，降低了触头合闸弹跳的危害。 2.2 脉冲功率组件
图 2 HDCVB 分断过程示意图 Fig. 2 Waveforms of HDCVB breaking process
2.1 斥力真空触头机构 触头机构作为 HDCVB 中的核心必须综合额定
电流通流、短路电流耐受和高频电流开断能力。 当 系统发生短路故障时，能够及时快速动作，具有较 高的初始速度，以便快速形成足够的开距。 真空灭 弧室以其优异的介电性能和高频电流分断能力成 为机械触头的首选，基于电磁斥力原理的斥力机构 具有始动快，结构简单等特点选定为驱动机构的技 术 方 案 [14-16]。
机构增强通流能力和提高初始速度的方法，脉冲功率组件串联应用和提高浪涌通流技术，避雷器的技术要
求及参数设计的原则，介绍了已开展的工作。 对换流过程进行了理论分析，研制了额定5 kV/6 kA断路器样
机，进行了系列实验，验证了理论分析和参数选择的有效性。
关键词： 混合型； 中压； 直流断路器； 斥力真空触头机构； 脉冲功率； 避雷器； 换流
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2014年 5 月
图 3 斥力真空触头机构结构图(合闸状态) Fig. 3 Configuration of repulsion driving vacuum
interrupter(closure)
直接关系到整机的分断性能，直流真空电弧形态演 化和高频开断时等离子体熄灭与介质恢复特性是 深 入 研 究 HDCVB 开 断 机 理 的 关 键 [18]，这 方 面 内 容 课题组将陆续报道。
2 混合型直流真空断路器设计
图 1 HDCVB 结构示意图 Fig. 1 Scheme of HDCVB 正常情况下， 斥力真空触头机构处于合闸状 态，换流晶闸管组件处于关断状态，换流电容预充 电。 当传感器检测到故障电流或控制器接到分闸指
令后，立即触 发 斥 力 机 构 驱 动 触 头 分 离(t1)，真 空 灭 弧室触头分离形成真空电弧，触头间产生弧压。 当 触 头 间 隙 形 成 足 够 的 开 距 或 延 迟 一 定 的 时 间 后 (t2)， 控制器向晶闸管组件 F 发出导通信号，主回路电流 i 开始向换流支路转移， 换流电容 C 的放电电流 iC 一部分可能会从二极管 D 上流过， VI 支路电流 iVI 将逐渐减小直至过零熄弧(t3)。 换流电流大于主回路 电流部分将流过二极管支路(t3~t4)。当 iD 过零 D 截止 后，主回路电流全部转移到 C-F-L 支路上(t4)，同时， 断路器两端出现正向过电压。 当换流电容反充电压 大于 MOA 动作电 压后(t5)，电流向 MOA 支路 转 移 ， MOA 开始限压吸能。随着 F 电流减小到零后截止关 断 ，短 路 电 流 全 部 转 移 到 MOA 上(t6)， 系 统 感 抗 中 存储的能 量被 MOA 吸收耗 散(t6~t7)，最终电 流 减 小 到零被切断，分断过程结束(t7)，见图 2。
课题组设计的 5 kV/6 kA 斥力真空触头机构示 意图见图 3，它从上至下依次由锁脱扣机构、电磁斥 力机构、真空灭弧室和出线母排共 4 个部分。 合闸 状态下， 由合闸弹簧 2 提供触头间的合闸压力，通 过调整弹簧参数可以调整合闸保持力的大小。 为保 证触头间电阻稳定在较小的范围，提升整机承载大 电流和耐受浪涌电流的能力，对合闸压力的参数选 择进行了实验和仿真分析。 机构设计时，还将斥力 盘与动触头电流引出端子合二为一，并通过软编织 线直接焊接到母排。 斥力盘 5 的材料为特制铜合 金，兼顾了较强的机械强度和较高的电导率。 这些 措施缩短了电流路径，减小了回路电阻，满足了额 定通流条件下的温升和短路耐受时抗熔焊的要求。
MOA；Fra Baidu bibliotekommutation
0 引言
电力系统进入工程应用的一个主要因素。 基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器
随着舰船综合电力系统的提出， 电力推进方式 (HDCVB)是直流中高压开断的有效方式[6-8]。 俄罗斯全
和高能武器的出现， 舰船电力系统发生革命性的变 俄电力技术研究所研制了额定 3.3 kV/3 000 A 直流
中图分类号： TM561
文献标志码： A
文章编号：1001-1609（2014）05-0018-06
Development of Hybrid Medium Voltage DC Vacuum Breaker
LIU Luhui，ZHUANG Jinwu，JIANG Zhuangxian，WANG Chen
母线额定电压可达 5 kV，额定 电流可达 6 kA，故障 行了 4.1 kA 和 29 kA 的分断实验， 但停留在实验室
时最大短路电流上升率将达到 20 A/μs 以上，预期短 阶段[10]。 上述成果难于满足舰船中压直流电力系统的
路电流峰值 时间 2~5 ms，峰值电 流高达 110 kA[3-4]。 参数要求。海军工程大学提出了一种基于强迫过零原
现有的舰船直流保护设备均为低压电器， 不适用于 理的改进拓扑结构， 并在低压参数下对断路器的设
中压系统， 无法为舰船的中压直流电力系统提供有 计、小开距下介质恢复特性进行了实验研究[11-13]，为研
效保护[5]，中压直流断路器的缺乏成为制约舰船直流 究混合型中压直流真空断路器奠定了基础。
收稿日期：2013-12-11； 修回日期：2014-01-05
研究与分析
刘路辉，庄劲武，江壮贤，等. 混合型中压直流真空断路器的研究
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压直流真空断路器方案，并对其关键部件斥力真空 触头机构、脉冲功率组件及避雷器和换流过程进行 了分析设计，最后给出了典型分断实验。
1 混合型直流真空断路器工作原理
混合型直流真空断路器典型结构见图 1， 它由 斥 力 真 空 触 头 机 构 (VI)、 换 流 电 路 (C-F-L-D) 和 避 雷 器 (MOA)并联组成。