摘要：针对目前混合直流断路器存在的成本高、占地面积大、控制复杂、通态损耗大、基于电弧电压关断的电压等级低的问题，提出了两种新的拓扑结构：基于低压电容器抑制起弧的高压混合直流断路器、二次换流式高压混合直流断路器，本文对所提的两种拓扑结构所涉及的关键技术进行了介绍，并对拓扑结构的优缺点进行了对比分析。
关键词：高压；混合直流断路器；关键技术
1直流断路器关键技术
1.1电弧模型
国内外一直在对电弧模型进行着研究，主要把电弧模型分为两大类：物理数学模型以及黑盒模型。物理数学模型反映的电弧整个过程更加详细准确，考虑的外界影响因素更多，且对湍流、热辐射等具有比较精确的计算，使整个数学模型变得更加繁琐，不易求解，在仿真中由于其求解复杂，使得整个仿真时间变长，影响了其在断路器电弧仿真研究中的应用。黑盒模型则是采用了简单的等效方法，将电弧等效为一个可变电阻，仅仅考虑了，例如电弧电压、耗散功率、时间常数等几个关键参数的影响，省略了一些影响不大的外部因素，使得整个数学模型简单化，并能够比较准确的反映出电弧特性，因此在断路器起弧的仿真中黑盒模型比较常用。目前，常用的黑盒电弧模型有：Mayr模型、Cassie模型、Hochrainer模型、ModifiedMayr模型、Schwarz模型以及KEMA模型、Cassie-Mayr混合模型等。
1.2电力电子器件的均压与均流
电力电子器件串联电压不均分为两种情况：静态电压不均和动态电压不均。器件运行过程中有四个工作状态会导致串联电压不均分别为：稳定正向关断状态、稳定导通状态、开通瞬态和关断瞬态错误！未找到引用源。。在导通稳态和正向关断稳态情况下，考虑的是静态均压；在开通瞬态和关断瞬态的瞬时动作情况下，串联各器件电压动态变化，考虑的是动态均压。然而在导通稳态情况下，由于各模块的导通压降都很小，大约在1-3V之间，因此无需考虑均压。当电力电子模块处于关断状态时，其等效电阻很大，相互之间存在差异，器器件的正向伏安特性不同，使得各模块所承受的压降会有很大差异，当电压超过模块的承受范围时将造成损坏。即在阻断状态下，阻抗越高的电力电子原件承担压降越大，越容易损坏。动态均压问题主要出现在开通和关断的瞬间，影响其动态电压不均的原因可以归为两大类：器件本身参数的影响和外围设计电路参数的影响。
1.3直流灭弧技术
与交流电相比，直流电由于没有自然过零点，当机械开关燃弧时电弧电流不容易熄灭，并且在不加以控制的情况下电弧持续时间长，影响断路器的速动性扩大事故范围，并生巨大热量，损坏机械开挂触头影响使用寿命，甚至对设备安全造成严重威胁，针对直流不易熄的问题目前国内外主要采用的集中解决方案如下：（1）研制速度更快的机械开关，采用SF6气体作为绝缘介质。（2）采用并联电容电感振荡回路，形成人工过零点的机械直流断路器。（3）利用多断口电弧电压转移电流的混合直流断路器。（4）采用机械开关和电力电子器件串联的强迫换流的混合直流断路器。（5）利用大容量电容作为转移支路的无弧机械直流断路器。以上几种主要的策略有各自的优缺点，及适用场景，如何合理选择符合工程实际要求的直流断路器，改善现有的断路器拓扑结构找到更加合理的解决方案是目前直流断路器研究的重点。
2新型高压混合直流断路器拓扑与控制策略
2.1基于低压电容器抑制起弧的高压混合直流断路器
2.1.1直流断路器的拓扑结构
针对目前混合直流断路器存在的运行损耗大、控制复杂的问题，提出了一种基于低压电容器抑制起弧的混合直流断路器，根据不同的控制策略可以实现机械开关开断时的常规燃弧与小电流燃弧，其中机械开关K1起弧，机械开关K2在并联电容的作用下不起弧。常规燃弧：当通流主支路机械开关K1、K2在接收到跳闸信号后同时断开时，机械开关K1燃弧；小电流燃弧：当通流主支路机械开关K1、K2在接收到跳闸信号后，K1先断开，经过固定延时后K2再断开，此时机械开关K1的燃弧电流较小，且燃弧时间更短，拓扑结构如图1所示。
2.1.2直流断路器的控制策略
（1）联动控制策略
正常工作状态下K1、K2保持闭合状态；在快速故障检测系统检测到线路发生短路故障时，立即给分断支路触发导通信号，在达到直流断路器动作的电流上限值时，机械开关K1、K2同时跳闸，机械开关K1瞬间起弧，且电弧电流为故障电流，而机械开关K2在并联电容器组的作用下无弧断开，电容器组承受故障电流的冲击，电容电压上升达到分断支路的导通电压时，开始转移故障电流，整个电流转移过程在1ms内完成；确保电流转移完成且机械开关动作完成，达到耐受电压后关断电力电子全控器件，机械开关的动作时间大概在2ms，整个关断过程能在2.5ms内完成。
（2）差动控制策略
正常工作状态下K1、K2保持闭合状态；在快速故障检测系统检测到线路发生短路故障时，立即给分断支路触发导通信号，在达到直流断路器动作的电流上限值时，先断开机械开关K2，在并联电容器组的作用下无弧断开，在经过固定延时后断开机械开关K1，本文中确保机械开关K1的断开电流在500A以内，当并联电容组C=3000μF时，经仿真确定延时时间为0.281ms，当电容值更小时，延迟时间可以减少，但需要保证机械开关K2的开断不起弧；由于机械开关K1的起弧电流小，且在起弧电压的作用下，加快了故障电流的转移，仿真结果得出差动控制比联动控制大约提前0.567ms完成电流转移，整个电流转移过程在0.4ms内完成，确保电流转移完成且机械开关动作完成达到耐受电压后关断电力电子全控器件，机械开关的动作时间大概在2ms，整个关断过程能在2.5ms内完成。差动控制使机械开关K1的燃弧时间变短，对触头的损耗减小，增加其使用寿命；缺点是控制难度有所增加，但综合整个开断过程及经济性，选用差动控制策略更优。
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图1低压电容器抑制起弧的混合直流断路器
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图2二次换流式高压混合直流断路器
2.2二次换流式高压混合直流断路器
针对目前混合直流断路器主要存在的通态损耗大、基于电弧电压关断的电压等级低的问题，提出了一种二次换流的混合直流断路器，如图2所示；二次换流高压混合式直流断路器工作原理如下：在正常情况下，高速机械开关K1、K2、K3闭合，K1、K2承载系统运行电流；其中为降低多开关控制难度，机械开关K2、K3由同一信号同时触发，机械开关K3经过固定延时后动作；当线路出现故障，但还没有超过电流限值时，既在没有接收到跳闸信号前，提前断开真空机械开关K2，经过延时后机械开关K3动作，在电容电压或电弧电压的作用下将电流换流至辅助换流阀Q1，在确定跳闸信号后，立即关断换流阀Q1，将电流换流至分断支路Q2，换流完成后待主支路电流为零时，断开机械开关K1，在机械开关K1分断完成，达到耐压水平后关断分断支路Q2，剩余电流由氧化锌避雷器MOV吸收，整个关断过程完成；若没有收到跳闸信号，即确认线路没有发生故障，对机械开关K2、K3进行重合闸，合闸完成后，依次关闭桥式换流阀Q1、分断支路Q2的触发信号。其中预分闸控制将主支路的真空机械开关K2的开断电流进一步减小，降低真空机械开关K2的起弧概率，并将整个关断过程提前，降低了分断支路的最终分断电流。
3结束语
基于低压电容器抑制起弧的高压混合直流断路器优点主要是控制相对简单，使用机械开关数量少，分断速度更快，其缺点是开断过程起弧、不适合开断过高电流、过高电压的场合、成本较高；二次换流式高压混合支流断路器的优点主要是基于电容抑制起弧的开断电流能力强、可靠性高，即使真空机械开关起弧仍然能可靠将主支路故障电流转移；其缺点主要是机械开关使用个数相对于第一种断路器多一个，控制复杂；由于多了一个机械开关K3，其开断时间相对于增加。
参考文献
[1]朱晋,刘丹华,尹靖元,等.基于模块级联技术的混合型高压直流断路器研究[J].中国电机工程学报,2017,37(5)：1560-1567.
[2]许烽,江道灼,黄晓明,等.电流转移型高压直流断路器[J].电力系统自动化,2016,40(21):98-104.
论文作者:姚飞飞
论文发表刊物:《电力设备》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/22
标签：断路器论文; 机械论文; 电流论文; 电弧论文; 电压论文; 支路论文; 高压论文; 《电力设备》2020年第1期论文;