双向非一致混合型真空直流断路器的分析与设计
针对现代舰船直流电力系统交流整流发电机保护面临的断路器发电机侧短路时需瞬时分断高上升率短路电流，以及断路器电网侧短路时需短延时后分断短路电流的要求不同这一问题，提出了一种双向非一致混合型真空直流断路器的拓扑结构。采用强迫换流关断原理关断发电机侧短路时高上升率的短路电流，采用自然换流关断原理实现电网侧短路时短延时保护以及正常工作电流的分断。对断路器关断的3个换流过程进行分析，得到了该拓扑结构的最佳连接形式，该连接形式下正、反向关断电流的利用率分别为100%和83%。设计了1kV/2.5kA 断路器样机，并进行了正、反向关断试验，实现了正向8kA 的自然换流关断和反向初始上升率为20A/s 的短路电流强迫换流关断。试验结果表明，所提出方案是有效、可行的，所做的分析准确、可信。
引言
现代舰船直流电力系统中电源主要由多相交流发电机整流而成，并通过固态逆变器向负载供电，如图1 所示。这种系统的特点是线路阻抗小、短路时间常数小、供电连续性要求高。当系统发电机侧发生短路故障(f2)时，要求发电机保护断路器瞬时动作，而当电网侧短路(f1 或f3)时，发电机保护断路器应先耐受发电机短路电流的冲击，之后再根据需要分断发电机短路电流。发电机保护开关的这种保护要求与传统舰船电力系统保护要求相比，内部短路时关断的电流上升率更高、整定时间更短，而外部短路时需耐受大峰值的短路电流后再延时关断大电流，具备相应功能和关断能力的断路器的研制难度显著增加。
图1 现代舰船直流电力系统示意图
近年来，一种将机械开关和固态开关相结合的混合型断路器由于在关断直流电流时表现出优异的性能，而得到迅速发展。按照关断原理，混合型断路器可分为自然换流型和强迫换流型两种。自然换流型断路器结构简单、控制方便，但是这种关断方案受电弧电压和支路电感的影响，换流速度慢，当关断电流的上升率较大时难以满足限流和快速性要求，一般应用于无限流要求的场合，如瑞士联邦技术学院研制的1500V/4kA 混合型直流断路器和荷兰Delft 大学设计的600V/6kA 合型直流开关。强迫换流型断路器可以实现高电流变化率的换流，不需考虑换流支路电感的影响，设计上自由度较大，但由于强迫换流型断路器需要额外的反向脉冲电流支路及相应的充电电路，其体积大、结构复杂。其次，采用强迫换流的方案，对机械触头在电流过零点的介质恢复能力要求高，需要机械触头有较快的响应速度和初始分闸速度。
目前，强迫换流型断路器能够关断短路电流的最大上升率多数在10A/s 以下，如大连理工大学研制的额定1500V/4000A 直流断路器关断的短路电流上升率为3A/s，西安交通大学研制的强迫换流型断路器关断短路电流的上升率约为8A/s。在已有文献中能够实现约20A/s 短路电流关断的只有海军工程大学研制应用于舰船低压直流电力系统的基于空气高速触头机构的单向混合式直流限流断路器；但该断路器采用空气式高速触头机构，额定电压只有320V，且该断路只进行单向短路分断。当其用于发电机保护开关进行双向关断时，必须兼顾两个方向的关断电流要求，所需关断电流的峰值将成倍提高，使断路器设计和实现的难度显著增加。
本文针对现代舰船直流电力系统整流发电机保护所面临的问题，将自然换流关断和强迫换流关断有机结合在一起，提出一种双向非一致混合型真空直流断路器结构方案。在发电机侧短路时采用强迫换流关断原理，可关断初始上升率为20A/s 的短路电流;而在电网侧短路时，断路器耐受短路电流冲击，并在短延时后采用自然换流关断原理关断故障电流。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这种关断方案既提高断路器的可靠性、减小了体积，同时降低了断路器的成本。
1、工作原理
图2 所示为双向非一致混合型真空直流断路器方案拓扑结构，它由高速真空开关VI、固态关断电路和吸能压敏电阻MOV 组成。正常工作时，电流从真空开关灭弧室流过，关断时固态关断电路起作用，实现真空灭弧室电流的自然换流关断和强迫换流关断。压敏电阻MOV 用于限制关断时断路器的过电压峰值，吸收电路中剩余的能量。
图2 双向非一致混合型真空直流断路器拓扑结构
图3(a)为正向自然换流关断时投入工作的电路，分断电流时首先打开真空开关VI，在真空开关起弧前向晶闸管F0 发出导通信号;真空开关打开之后，在电弧电压的作用下，真空开关支路上的电流向并联支路F0、D2 上转移，经过一定时间后真空开关支路上电流完全转移至并联支路，此时真空灭弧室进入零电压介质恢复阶段，F0、D2 继续导通一段时间保证真空灭弧室介质强度可靠恢复。之后导通晶闸管F1，预先充电的电容C 向F0 发出反向电流，使F0 上电流下降并过零，之后反向流从D1 上流过给F0 提供一定的恢复时间，回路中剩余的能量由电容C 与压敏电阻MOV 共同吸收。在正向关断电路的设计中，应使关断电流的全部或大部分从F0支路流过，以提高关断电流的利用率。
图3 双向非一致混合型真空直流断路器正反向关断原理
图3(b)为反向强迫换流关断时投入工作的电路，分断时首先给真空开关VI 动作信号，真空开关起弧后立即导通晶闸管F2，预先充电的电容C 经二极管D1 向真空开关VI 发出反向电流，使VI 上电流下降并过零，之后反向电流从D2 上流过，给VI 提供一定的恢复时间。在反向关断电路的设计中，可通过电路结构参数设计使关断电流绝大部分首先经D1 支路流向真空开关，以提高关断电流的利用效率。
双向非一致混合型真空直流断路器正、反向关断时，包含了真空灭弧室向固态电路自然换流、关断电流向晶闸管支路强迫换流和关断电流向真空开关支路强迫换流等过程。这些换流过程与各支路的参数密切相关，在断路器结构设计时应充分考虑结构参数对换流的影响，最大限度提高电路的工作效率。
下文将对以上提到 3 个换流过程进行分析，为了分析方便，分析过程中忽略支路电阻的影响，同时将电弧电压、晶闸管管压降、二极管管压降等效为恒压源。
4、结论
1)提出一种双向非一致混合型真空直流断路器的拓扑结构，当系统中断路器的发电机侧发生短路故障分断时采用强迫换流关断原理，可现实初始上升率为20A/s 以上的短路电流限流分断;而当电网侧短路分断或正常工作电流的分断时，采用自然换流关断原理关断电流，既提高断路器的可靠性、减小了体积，同时降低了断路器的成本。
2)分析了断路器结构参数对3 种换流过程的影响，基于此确定了1kV/2.5 kA 样机固态电路的最佳连接方式，在该连接方式下正向关断时，关断电流利用率为100%，反向关断时，关断电流利用率为83%。
3)设计了1kV/2.5kA 断路器样机，成功进行了正向8kA 的自然换流关断试验与反向上升率为20A/s 短路电流的强迫关断试验，反向限流峰值约为7.8kA。验证了所提出双向非一致混合型限流断路器方案的有效性和可行性。
