混合型中压直流真空断路器的研究

　　提出了一种基于强迫换流原理的混合型中压直流真空断路器方案。阐述了关键部件如斥力真空触头机构增强通流能力和提高初始速度的方法，脉冲功率组件串联应用和提高浪涌通流技术，避雷器的技术要求及参数设计的原则，介绍了已开展的工作。对换流过程进行了理论分析，研制了额定5 kV/6 kA断路器样机，进行了系列实验，验证了理论分析和参数选择的有效性。

　　引言

　　随着舰船综合电力系统的提出， 电力推进方式和高能武器的出现， 舰船电力系统发生革命性的变化，其地位从辅助系统变成主动力系统，容量急剧增大。直流区域配电以其高效、灵活的优点成为系统网络的首选，舰船电力迈向中压直流系统。舰船直流母线额定电压可达5 kV，额定电流可达6 kA，故障时最大短路电流上升率将达到20 A/μs 以上，预期短路电流峰值时间2~5 ms，峰值电流高达110 kA。

　　现有的舰船直流保护设备均为低压电器， 不适用于中压系统， 无法为舰船的中压直流电力系统提供有效保护，中压直流断路器的缺乏成为制约舰船直流电力系统进入工程应用的一个主要因素。基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器(HDCVB)是直流中高压开断的有效方式。俄罗斯全俄电力技术研究所研制了额定3.3 kV/3 000 A 直流真空限流断路器， 并进行了180 A 小电流、1.9 kA 近额定电流和10 kA 短路电流3 种不同工况下的开断实验。西安交通大学研制的人工过零真空断路器进行了4.1 kA 和29 kA 的分断实验，但停留在实验室阶段。上述成果难于满足舰船中压直流电力系统的参数要求。海军工程大学提出了一种基于强迫过零原理的改进拓扑结构，并在低压参数下对断路器的设计、小开距下介质恢复特性进行了实验研究，为研究混合型中压直流真空断路器奠定了基础。

　　笔者首先介绍基于强迫换流原理的混合型中压直流真空断路器方案，并对其关键部件斥力真空触头机构、脉冲功率组件及避雷器和换流过程进行了分析设计，最后给出了典型分断实验。

　　1、混合型直流真空断路器工作原理

　　混合型直流真空断路器典型结构见图1， 它由斥力真空触头机构(VI)、换流电路(C-F-L-D)和避雷器(MOA)并联组成。

图1 HDCVB 结构示意图

　　正常情况下，斥力真空触头机构处于合闸状态，换流晶闸管组件处于关断状态，换流电容预充电。当传感器检测到故障电流或控制器接到分闸指令后，立即触发斥力机构驱动触头分离(t1)，真空灭弧室触头分离形成真空电弧，触头间产生弧压。当触头间隙形成足够的开距或延迟一定的时间后(t2)，控制器向晶闸管组件F 发出导通信号，主回路电流i 开始向换流支路转移， 换流电容C 的放电电流iC一部分可能会从二极管D 上流过， VI 支路电流iVI将逐渐减小直至过零熄弧(t3)。换流电流大于主回路电流部分将流过二极管支路(t3~t4)。当iD过零D 截止后，主回路电流全部转移到C-F-L 支路上(t4)，同时，断路器两端出现正向过电压。当换流电容反充电压大于MOA 动作电压后(t5)，电流向MOA 支路转移，MOA 开始限压吸能。随着F 电流减小到零后截止关断，短路电流全部转移到MOA 上(t6)， 系统感抗中存储的能量被MOA 吸收耗散(t6~t7)，最终电流减小到零被切断，分断过程结束(t7)，见图2。

图2 HDCVB 分断过程示意图

　　斥力真空触头机构VI 上并联二极管组件D 使分断过程中恢复过电压出现的时刻后移，为触头电流过零后动静触头间介质恢复创造了近似零电压的恢复过程，增强了触头间隙后续承受恢复电压的能力，提高了分断可靠性。在电感L 两端并联续流二极管的目的是为了减小晶闸管组件通过浪涌电流后截止时的du/dt 和降低电容反充电压幅值。基于强迫换流原理的HDCVB 通流能力强， 分断电流高，且分断时间短，限流效果和工程适用性好。

　　5、结语

　　混合型中压直流真空断路器方案，原理简单、分断速度快、可靠性高，可以实现大容量中压直流分断，基于斥力原理的真空触头机构可以实现额定电流通流和快速动作的功能;中压脉冲功率组件均压措施改善了串联应用的分压特性，采用扩大门极和强触发可有效提高浪涌通流能力， 光控触发的方案实现了电气隔离，节约了触发电源;避雷器的能量等效性原则和参数设计方法等为中压直流短路器的研制打下了坚实的基础。斥力真空触头机构连入换流回路的阻抗是影响换流效率的关键因素。实验表明， 混合型中压直流真空断路器可以成功满足舰船中压直流电力系统负荷和保护分断的要求。