- 頭條低壓混合式直流斷路器中的真空電弧電流轉移判據2021-01-19 作者：葛國偉 程顯 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語鄭州大學電氣工程學院、國網河南省電力公司電力科學研究院、大連理工大學電氣工程學院的研究人員葛國偉、程顯、王華清、謝偉、黃金強，在2019年第19期《電工技術學報》上撰文指出，低壓混合式直流斷路器的電流轉移性能對其開斷過程起到至關重要的作用。 為獲得其電流轉移特性及判據，分析低壓混合式直流斷路器的結構與工作原理，提出真空電弧電流轉移過程簡化電路。搭建低壓混合式直流斷路器真空電弧電流轉移實驗研究平臺，采用高速CMOS相機觀察轉移過程中真空電弧發展演變規律。 研究電流大小、轉移支路參數、燃弧時間等對電流轉移特性的影響規律，得到了真空電弧電流轉移判據。通過修正參數得到適用于低壓混合式直流斷路器的真空電弧電流轉移改進判據，并通過400V/5kA混合式直流斷路器樣機驗證了其有效性，為高性能低壓混合式直流斷路器研制提供了參考。
近年來隨著直流微網、城市軌道交通直流牽引系統、艦船直流供電系統的發展，高性能大容量低壓直流斷路器需求日益迫切，基于機械開關與電力電子開關的混合式直流斷路器（Hybrid Circuit Breaker, HCB），綜合了機械開關通流大、全控器件開斷快的優勢，是未來中低壓領域直流斷路器的發展趨勢與方向。
低壓直流斷路器主要包括空氣斷路器、固態斷路器和混合式直流斷路器，空氣斷路器在軌道交通直流牽引供電系統900V/1800V已得到較多的應用。
- 美國GE公司的Gerapid直流快速斷路器額定電壓為1000~3600V、額定電流2600~6000A，預期分斷電流30~75kA。
- 瑞士SECHERON公司的UR系列直流斷路器額定電壓900~3600V，額定電流1500~8000A，預期分斷電流40~125kA。
- 另外韓國FKI、德國西門子、ABB和法國Saft Power Systems等公司都有低壓直流開關設備。
- 國內西安交通大學與大全集團合作研制了4kV/70kA空氣介質直流斷路器。
- 平高集團研制PGDB-1800/D4000-80型直流斷路器，額定電流為4000A，額定短路開斷電流達到80kA，峰值達114kA。
- 中船重工712自主研發的ZDS3國產直流快速斷路器，額定電壓900V/1800V，額定電流4000A，開斷電流125/80kA。
《GBT25890.1—2010軌道交通地面裝置直流開關設備第2部分直流斷路器》根據分斷特性將直流斷路器分為快速限流斷路器、高速限流斷路器和半快速斷路器。其中高速限流斷路器要求斷路器全分斷時間小于5ms。目前軌道交通直流斷路器產品額定電流達到8000A，預期短路分斷電流125kA，固有時間在3~6ms，全分斷時間15~30ms。
隨著IGBT、IGCT、GTO等全控器件的發展，固態直流斷路器取得較大發展，美國電力電子系統研究中心（CPES）研制出2.5kV/1.5kA和4.5kV/4kA直流斷路器樣機。大連理工大學基于IGBTs，研制了750V/2kA車載直流斷路器。
近年來，基于機械開關與全控器件并聯的混合式直流斷路器，綜合了機械開關通流能力大、全控器件開斷快的優勢，在高、中、低直流領域引起廣泛關注。
- 荷蘭Delft大學的Polman H.等基于IGBTs和快速斥力開關設計了額定參數為600V/6kA，完全開斷時間為1.2ms的艦船用零電壓關斷（Zero Voltage Switch, ZVS）型DC HCB。
- 瑞士工業電子實驗室的J.Meyer等利用高速電磁斥力開關和IGCT，研制出應用于軌道交通領域的1.5kV/4kA DC HCB。
- 大連理工大學研制了400V/10kA混合式ZVS直流斷路器樣機，并對其電流轉移特性進行了研究。
- 海軍工程大學莊勁武等提出了一種新型ZCS-DC HCB的拓撲結構，旨在改善直流斷路器在短燃弧、小間隙下的開斷性能。
在高壓混合式直流斷路器領域，2012年ABB研制了基于高速隔離開關與IGBTs并聯的HVDC斷路器，其額定電壓為80kV，額定電流為2kA，開斷電流為9kA，開斷時間為5ms，同時基于模塊串聯，提出了320kV混合式高壓直流斷路器方案。2014年，Alstom公司研制出了120kV/5ms/7.5kA混合式高壓直流斷路器樣機。2015年，國家電網智能電網研究院研制出了200kV/3ms/12kA混合式高壓直流斷路器樣機。
通過上述分析可知，ZVS型混合式直流斷路器具有結構簡單、開斷能力強等優勢，在高壓領域由于串并聯全控器件、通流能力等因素影響，高壓混合式直流斷路器成本高、控制復雜，而中、低壓領域，全控器件不需要串聯，只需要并聯，且轉移過程無需輔助開關。混合式直流斷路器第一階段的電流轉移過程對其開斷起到關鍵作用，目前對真空電弧電流轉移特性，尤其是其電流轉移判據尚無深入細致的研究。
前期已對混合式ZVS直流斷路器的小電流轉移特性進行了理論與實驗研究，并對低壓混合式直流斷路器模型和參數設計進行了初步研究。本文旨在研究大電流情況下混合式直流斷路器的電流轉移特性，通過研究電流大小、IGBTs導通電阻和橫向磁吹等對電流轉移特性的影響，得到真空電弧電流轉移特性和判據，為混合式直流斷路器的高速分斷提供理論依據。
圖1 低壓混合式直流斷路器樣機結構
圖2 低壓混合式直流斷路器原理
圖6 真空電弧電流轉移過程試驗平臺
結論
- 1）通過理論與實驗研究得到，低壓混合式直流斷路器的真空電弧電流轉移過程主要分為固有電流轉移過程與拖尾電流轉移過程。固有電流轉移過程一般在幾百微秒之內，而拖尾電流轉移過程持續2~10ms。為了確保轉移成功，降低轉移時間，必須保證真空電弧電流轉移過程處于固有電流轉移過程。
- 2）研究了電流大小、轉移電阻大小等對真空電弧電流轉移過程的影響，得到了其電流轉移特性與判據，并進行改進，得到適用于混合式直流斷路器的真空電弧電流轉移判據。
- 3）橫向磁吹加入真空電弧電流轉移過程的本質是增加電弧長度以便增加電弧電壓，進而加速電流轉移。在固有轉移過程中，外加橫向磁吹對轉移時間幾乎無影響，而在拖尾電流轉移過程中，橫向磁場能夠有效加速電流轉移過程。
