• 头条低压混合式直流断路器中的真空电弧电流转移判据
    2021-01-19 作者:葛国伟 程显 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语郑州大学电气工程学院、国网河南省电力公司电力科学研究院、大连理工大学电气工程学院的研究人员葛国伟、程显、王华清、谢伟、黄金强,在2019年第19期《电工技术学报》上撰文指出,低压混合式直流断路器的电流转移性能对其开断过程起到至关重要的作用。 为获得其电流转移特性及判据,分析低压混合式直流断路器的结构与工作原理,提出真空电弧电流转移过程简化电路。搭建低压混合式直流断路器真空电弧电流转移实验研究平台,采用高速CMOS相机观察转移过程中真空电弧发展演变规律。 研究电流大小、转移支路参数、燃弧时间等对电流转移特性的影响规律,得到了真空电弧电流转移判据。通过修正参数得到适用于低压混合式直流断路器的真空电弧电流转移改进判据,并通过400V/5kA混合式直流断路器样机验证了其有效性,为高性能低压混合式直流断路器研制提供了参考。

    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。

    • 美国GE公司的Gerapid直流快速断路器额定电压为1000~3600V、额定电流2600~6000A,预期分断电流30~75kA。
    • 瑞士SECHERON公司的UR系列直流断路器额定电压900~3600V,额定电流1500~8000A,预期分断电流40~125kA。
    • 另外韩国FKI、德国西门子、ABB和法国Saft Power Systems等公司都有低压直流开关设备。
    • 国内西安交通大学与大全集团合作研制了4kV/70kA空气介质直流断路器。
    • 平高集团研制PGDB-1800/D4000-80型直流断路器,额定电流为4000A,额定短路开断电流达到80kA,峰值达114kA。
    • 中船重工712自主研发的ZDS3国产直流快速断路器,额定电压900V/1800V,额定电流4000A,开断电流125/80kA。

    《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。

    • 荷兰Delft大学的Polman H.等基于IGBTs和快速斥力开关设计了额定参数为600V/6kA,完全开断时间为1.2ms的舰船用零电压关断(Zero Voltage Switch, ZVS)型DC HCB。
    • 瑞士工业电子实验室的J.Meyer等利用高速电磁斥力开关和IGCT,研制出应用于轨道交通领域的1.5kV/4kA DC HCB。
    • 大连理工大学研制了400V/10kA混合式ZVS直流断路器样机,并对其电流转移特性进行了研究。
    • 海军工程大学庄劲武等提出了一种新型ZCS-DC HCB的拓扑结构,旨在改善直流断路器在短燃弧、小间隙下的开断性能。

    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。

    学术简报︱低压混合式直流断路器中的真空电弧电流转移判据

    图1 低压混合式直流断路器样机结构

    学术简报︱低压混合式直流断路器中的真空电弧电流转移判据

    图2 低压混合式直流断路器原理

    学术简报︱低压混合式直流断路器中的真空电弧电流转移判据

    图6 真空电弧电流转移过程试验平台

    结论

    • 1)通过理论与实验研究得到,低压混合式直流断路器的真空电弧电流转移过程主要分为固有电流转移过程与拖尾电流转移过程。固有电流转移过程一般在几百微秒之内,而拖尾电流转移过程持续2~10ms。为了确保转移成功,降低转移时间,必须保证真空电弧电流转移过程处于固有电流转移过程。
    • 2)研究了电流大小、转移电阻大小等对真空电弧电流转移过程的影响,得到了其电流转移特性与判据,并进行改进,得到适用于混合式直流断路器的真空电弧电流转移判据。
    • 3)横向磁吹加入真空电弧电流转移过程的本质是增加电弧长度以便增加电弧电压,进而加速电流转移。在固有转移过程中,外加横向磁吹对转移时间几乎无影响,而在拖尾电流转移过程中,横向磁场能够有效加速电流转移过程。