新型真空直流限流断路器设计及其介质恢复特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)海军工程大学电气工程学院 作者:徐国顺

  针对传统强迫换流型断路器在关断高上升率短路电流时遇到的问题,本文提出了在高速真空开关两端反向并联续流二极管,并在小间隙下开断短路电流的改进方案。通过反向续流二极管的续流作用,使真空开关在电弧电流强迫过零后得到零电压介质恢复时间,提高了真空灭弧

  室的介质恢复能力,使其能够在小开距时关断高上升率短路电流。开展了新型强迫换流型限流断路器工作原理的仿真分析和高速电磁斥力机构、脉冲关断电路的设计。针对新型真空直流限流断路器关断短路电流的特殊过程,设计了与其等效的介质恢复试验,对方案可行性进行验证。设计了1kV/400A 限流断路器样机并进行短路关断试验,该断路器可将初始上升率为5A/s 的故障电流限流至2.5kA 以下。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为试验结果证明所提出方案有效、可行。

1、引言

  直流电力系统与交流电力系统相比,具有损耗低、并网方便等优点,现今在美国、日本、德国等发达国家已逐渐采用直流输配电系统。另外,现代舰船、地铁等独立电力系统也越来越多地采用直流电力系统。为了限制不断增大的短路电流,保护用电设备的安全,亟需研制限流能力更强、可靠性更高的直流限流断路器。传统机械式直流断路器由于存在电弧的烧蚀作用,电气寿命较短、限流效果差,而由功率半导体器件组成的固态开关由于通态损耗过大、价格过高也难以推广应用。

  基于真空灭弧室强迫换流关断原理的真空直流限流断路器具有通态损耗小、分断能力强、触头烧损小、电气寿命长等优点,是近年来直流断路器的一个新的发展方向。强迫换流型真空直流限流断路器通常由高速真空开关、脉冲强迫关断回路、能量吸收回路并联组成。正常工作时,主回路电流从真空开关流过,当需要分断时,真空开关首先打开至额定开距,之后脉冲强迫关断回路发出一个与主回路电流方向相反的反向关断脉冲电流,迫使真空开关中的电流迅速减小过零,电流一旦过零,电弧便很快被熄灭,由于真空灭弧室在电流过零点具有极强的介质强度恢复能力,电弧不再重燃。电路切断后回路剩余能量由能量吸收回路吸收,并限制关断过程产生的过电压。

  但是采用强迫关断原理的真空直流断路器由于真空开关在电流强迫过零时存在反向恢复电压,因此需要将真空开关打开至额定开距后再发出反向关断电流,确保真空开关能够承受电流过零瞬间恢复电压的冲击而不重燃。但是由于机械触头运动速度的限制,要形成大开距需要的触头运动时间也较长,这会使电路关断时机后移,影响断路器的限流性能,在故障电流上升率过大时,甚至可能导致无法成功关断。如文献要求电路关断时真空开关必须达到8mm 触头开距,假设触头运动速度为2m/s,则所需时间约4ms,若短路电流上升率为5A/μs,则关断时故障电流已达20kA 以上,这将使断路器失去限流能力,而且过大的故障电流对脉冲关断回路及能量吸收回路均会形成巨大压力,最终使整机体积过大而不具经济性和实用性。

  为此本文提出一种在传统强迫换流型断路器的真空开关两端并联反向的续流二极管的改进方案,通过这一改进使真空开关在电流过零后得到零电压的介质强度恢复过程,使得高速真空开关得以在小开距下关断高上升率短路电流,大大提高了断路器的限流和分断能力。

2、新型强迫换流型真空直流限流断路器

  图 1 所示为新型强迫换流型限流断路器原理图及直流系统的等效电路,其中Es 为直流电源,Rc和Lc 为线路电阻和电感,RL 和LL 则分别为负载电阻和负载电感。虚线框中所示为新型强迫换流型限流断路器,与传统方案相比,该改进方案在高速真空开关VB 两端并联了反向的续流二极管VD,这样当反向脉冲电流迫使真空开关的电弧熄灭后,二极管VD 导通,主回路电流与反向关断电流转移至续流二极管,此时真空开关两端电压为零,直至反向关断电流再次等于主回路电流时,二极管反向截止,主回路对电容C 反向充电,真空开关两端开始出现恢复电压。

新型强迫换流型限流断路器

图1 新型强迫换流型限流断路器

  图2 所示为本文设计的额定1kV/400A 新型强迫换流型限流断路器短路关断的仿真结果,下面结合图2 对断路器关断过程进行详细说明。短路发生后主回路电流以5A/s 的速度快速上升,当主回路电流大于1.2kA 时控制器给高速真空开关发出动作信号,经过一定的机械延时后高速真空开关在t0=292s 时动静触头分离,t1=317s 时关断电路发出关断电流,此时真空灭弧室电弧电流达到最大值1.78kA。随着关断电流的上升,真空灭弧室电流不断下降并在t2=380s 时下降到零,真空电弧熄灭。t2 时刻开始,续流二极管导通,真空灭弧室处于零电压的介质恢复阶段,直至t3=422s 时二极管截止,主回路电流转移至关断回路,零电压恢复阶段结束,

  二极管电流峰值405A,零电压时间tr=t3,t2=42s。t3 时刻以后主回路电流向关断电容充电,此时断路器两端电压等于关断电容电压,随充电过程电压不断提高,并在t4=475s 时刻电压达到压敏电压动作的阈值,压敏电阻开始导通。压敏电阻起作用后,关断回路电流向压敏电阻支路转移,t5=530s 时关断回路电流完全转移至压敏电阻支路,关断电容充电电压及断路器两端电压达到最大值2kV。

真空直流限流断路器短路关断仿真结果

图2 真空直流限流断路器短路关断仿真结果

  为了保证断路器的高限流能力及分断的可靠性,限流断路器对各部件提出以下几点要求:

  (1)高速真空开关应具备高响应速度,能够在接到动作信号后的几百微秒内使触头分离,同时应具备高初始分离速度,在恢复电压出现时形成尽量大的触头开距。

  (2)由强迫关断电路发出的流经高速真空开关的反向关断电流峰值应大于主回路电流,保证真空电弧电流过零熄灭。

  (3)反并续流二极管的导通期间所形成的零电压恢复时间内,真空介质应恢复至足够的绝缘强度,以承受关断过电压的冲击而不发生重燃。文章接下来将针对以上三个条件展开新型强迫换流型限流断路器的设计和分析。

7、结论

  本文针对传统强迫换流型断路器在关断高上升率短路电流时面临的困难,提出了在高速真空开关两端反向并联续流二极管,并在小间隙下开断短路电流的改进方案。对改进方案进行分析和设计,得到了以下结论:

  (1)通过在真空开关两端反向并联续流二极管,可使真空开关电弧电流过零后获得零电压介质恢复时间,有利于真空介质强度恢复和电流的成功关断。

  (2)针对限流断路器对真空开关高响应速度和高初始分离速度的要求,设计了基于电磁斥力原理的高速真空开关,机械延时为75s,触头100s 后的运动速度可达2m/s。

  (3)设计了等效介质恢复试验,试验结果表明经过50s 的零电压介质恢复后,真空开关可承受2kV 的关断过电压冲击,介质强度恢复速度约40V/s。

  进行了短路电流上升率为5.5A/s 的短路关断试验,试验结果与仿真分析结果一致,说明分析正确,方案有效、可行。

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