近年来随着直流微网、城市轨道交通直流牵引系统、舰船直流供电系统的发展,高性能大容量低压直流断路器需求日益迫切,基于机械开关与电力电子开关的混合式直流断路器(Hybrid Circuit Breaker, HCB),综合了机械开关通流大、全控器件开断快的优势,是未来中低压领域直流断路器的发展趋势与方向。
低压直流断路器主要包括空气断路器、固态断路器和混合式直流断路器,空气断路器在轨道交通直流牵引供电系统900V/1800V已得到较多的应用。
《GBT25890.1—2010轨道交通地面装置直流开关设备第2部分直流断路器》根据分断特性将直流断路器分为快速限流断路器、高速限流断路器和半快速断路器。其中高速限流断路器要求断路器全分断时间小于5ms。目前轨道交通直流断路器产品额定电流达到8000A,预期短路分断电流125kA,固有时间在3~6ms,全分断时间15~30ms。
随着IGBT、IGCT、GTO等全控器件的发展,固态直流断路器取得较大发展,美国电力电子系统研究中心(CPES)研制出2.5kV/1.5kA和4.5kV/4kA直流断路器样机。大连理工大学基于IGBTs,研制了750V/2kA车载直流断路器。
近年来,基于机械开关与全控器件并联的混合式直流断路器,综合了机械开关通流能力大、全控器件开断快的优势,在高、中、低直流领域引起广泛关注。
在高压混合式直流断路器领域,2012年ABB研制了基于高速隔离开关与IGBTs并联的HVDC断路器,其额定电压为80kV,额定电流为2kA,开断电流为9kA,开断时间为5ms,同时基于模块串联,提出了320kV混合式高压直流断路器方案。2014年,Alstom公司研制出了120kV/5ms/7.5kA混合式高压直流断路器样机。2015年,国家电网智能电网研究院研制出了200kV/3ms/12kA混合式高压直流断路器样机。
通过上述分析可知,ZVS型混合式直流断路器具有结构简单、开断能力强等优势,在高压领域由于串并联全控器件、通流能力等因素影响,高压混合式直流断路器成本高、控制复杂,而中、低压领域,全控器件不需要串联,只需要并联,且转移过程无需辅助开关。混合式直流断路器第一阶段的电流转移过程对其开断起到关键作用,目前对真空电弧电流转移特性,尤其是其电流转移判据尚无深入细致的研究。
前期已对混合式ZVS直流断路器的小电流转移特性进行了理论与实验研究,并对低压混合式直流断路器模型和参数设计进行了初步研究。本文旨在研究大电流情况下混合式直流断路器的电流转移特性,通过研究电流大小、IGBTs导通电阻和横向磁吹等对电流转移特性的影响,得到真空电弧电流转移特性和判据,为混合式直流断路器的高速分断提供理论依据。
图1 低压混合式直流断路器样机结构
图2 低压混合式直流断路器原理
图6 真空电弧电流转移过程试验平台