基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构研究_程显.pdf

2023 年2 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.3 第 38 卷第 3 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211395 基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构研究 程 显1,2 闫冬冬1,2 葛国伟1,2 白青林1,2 秦 聪1,2（1.郑州大学电气工程学院 郑州 450001 2.河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心 郑州 450001）摘要 直流断路器是中压直流配电系统的重要设备。为满足大容量高速分断的迫切需求，该文提出一种基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构并分析了其工作过程，将耦合电抗器一、二次绕组分别串联于主支路和真空开关支路实现加速电弧电流转移，阻容元件串联于固态开关支路以便限制故障电流。通过 Matlab/Simulink 构建了基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器仿真模型，仿真分析了耦合电抗器和阻容元件参数对电流转移时间、限流效果、整机开断时间的影响规律，并进行了小电流开断的初步实验验证。研究表明：耦合电抗器一、二次绕组分别为300H、50H，阻容元件参数为 0.1、50F，电流转移时间由 1.5ms 缩短至 0.5ms，截断电流峰值降低了 47.1，整机关断时间缩短了 1.9ms，初步验证了新拓扑结构在限流和快速开断方面的可行性，为研制高性能混合直流断路器提供参考依据。关键词：中压混合式直流断路器 直流开断 电流转移 耦合电抗器 中图分类号：TM561 0 引言 直流断路器作为中压配电系统控制和保护的重要设备，是构建柔性直流电网的关键设备1-2。中压柔性配电、直流牵引等系统对大容量快速分断的直流断路器需求迫切3。直流断路器主要包括机械式直流断路器、固态直流断路器和混合式直流断路器4-5。混合式直流断路器综合了机械开关通流能力强和固态开关动作速度快的优点，是中压直流断路器的主要发展趋势。高压混合式直流断路器无法通过自然换相实现电流由机械开关向固态开关的转移，需借助辅助开关或耦合负压等措施实现强迫转移。在中低压小电流领域国内外开展较多研究。ABB 公司基于集成门极换流晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor,IGCT）和快速机械开关设计了 1.5kV/4kA 混合式直流断路器，利用真空电弧电压实现 4.5kA 电流转移6。意大利的 L.Novello 等将 IGCT 与快速机械开关结合，利用 IGCT 的串并联技术研制出 1kV/10kA 混合式直流断路器的原理样机7。上述开断过程中故障电流由机械开关向固态开关转移主要由电弧弧压的自然换相实现，但随着故障电流的增加（10kA），自然换相时间拖尾甚至换相失败。为实现大容量开断，清华大学基于耦合负压电路加速电流转移，研制了10kV 多端口混合式直流断路器。文献8提出在断路时限流电感快速旁路方法，可降低直流断路器（DC Circuit Breaker,DCCB）在切断故障电流过程中的能量耗散。文献9研究机械式直流断路器弧后电流测量原理，得出换相频率和恢复电压对弧后电流的影响规律。文献10研究三种不同超导限流直流开断技术，并完成了 10kV/10kA 超导限流强迫过零直流电流开断实验。文献11中采用耦合电感辅助电流转移的断路器拓扑结构，该结构在正常运行时电能损耗低、能够有效限制故障电流且加速电流转移过程。文献12提出了一种新型快速响应直流限流器，加速了开断过程，同时该限流器能全程自适应动作，无需触发控制装置，响应直接迅速。文献13提出了一种阻容型限流式直流断路器拓扑，可实现稳态低电抗和 国家自然科学基金项目（51977195,52107170）、河南省重大科技专项（221100240500）、河南省优秀青年科学基金项目（202300410370）、河南省高校科技创新人才（21HASTIT022）资助。收稿日期 2021-09-03 改稿日期 2021-11-04 第 38 卷第 3 期 程 显等 基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构研究 819 暂态高限流电抗的灵活切换，同时起到限流作用。文献14研究了熄弧后真空断路器恢复电压变化规律，并通过仿真与实验进行对比分析，验证改进真空断路器弧后电磁暂态建模精确性。上述研究在加速电流转移和故障电流方面取得了一定进展15-19，但围绕耦合电抗器和阻容限流之间协同工作过程及其对加速电流转移、限流效果等特性研究较少。在前期城市轨道交通混合式直流断路器电流转移判据和整机开断性能研究基础上20-21，本文提出了一种基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构，采用耦合电抗器加速电流转移，阻容元件限制故障电流峰值。搭建基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器模型，研究不同阶段耦合电抗器参数对电流转移、故障限流等作用过程，得到了耦合电抗器参数和阻容参数对电流转移和截断电流峰值的影响规律，确定了相关参数的取值，并进行了初步验证。1 CR-DCCB 拓扑结构及工作原理 1.1 拓扑结构 传统混合式直流断路器拓扑结构和基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器（Resistance-Capacitance Hybrid DC Circuit Breaker with Coupled Reactor,CR-DCCB）拓扑结构如图 1 所示。CR-DCCB 相较于DCCB 增加了耦合电抗器和阻容限流元件，其中耦合电抗器的一、二次绕组分别串联于主支路和真空开关支路，IGBT和缓冲电路构成固态开关支 图 1 DCCB 与 CR-DCCB 拓扑结构 Fig.1 Topology diagram of DCCB and CR-DCCB 路，阻容元件串联于上述固态开关支路，VD1、VD2、VD3、VD4构成桥式电路，可实现故障电流的双向开断，MOV 作为耗能支路。其中 IM为主支路电流、IVCB为真空开关电流、IS为固态开关支路电流、IMOV为 MOV 支路电流。在故障发生时，耦合电抗器作为限流电抗器在一定程度上可限制故障电流，待检测到故障后固态开关合闸，快速真空开关接收分闸命令。由于快速真空开关存在一定的分闸时间（一般为 0.52ms），触头仍然处于闭合状态，此阶段由于耦合电抗器二次侧电感和互感的阻碍作用，强迫真空开关支路电流向固态开关支路转移。在上述转移过程后期或者转移完成后，真空开关触头分离。在故障电流完全转移到固态开关支路后，阻容元件可以实现限制故障电流，降低系统故障电流峰值进而减小了固体开关开断电流需求，可以在一定程度减少 IGBTs 并联数量和容量，降低整机成本。CR-DCCB 和 DCCB 的电流由真空开关向固态开关支路的转移过程不同，DCCB 是依靠真空开关弧压，转移起点时刻是触头分离时刻，而 CR-DCCB 依靠的是耦合电抗器，转移起点是检测到故障且固态开关导通时刻，即 CR-DCCB 电流转移过程早于 DCCB。1.2 工作原理 CR-DCCB 和 DCCB 的开断过程波形分别如图2a 和图 2b 所示，其中 UMOV为断路器端电压。DCCB在开断电流大于 10kA 时，由于真空电弧弧压较低（一般为 2040V），真空开关触头分离后，电流开始由真空开关向固态开关支路转移，自然换相过程可达几 ms 以上甚至换相失败，同时无限流效果，故障电流发展到较高水平，对固态开关开断容量需求较高。而 CR-DCCB 在故障发生（1ms 时）后，耦合电抗器可以起到一定的限流作用。故障检测单元在 2ms时检测到故障，同时向固态开关发出合闸命令，向快速真空开关发出分闸命令，固态开关微秒级实现合闸导通，快速真空开关分闸需要 0.52ms，此时触头仍然处于闭合状态。耦合电抗器二次绕组和互感的阻碍作用强迫电流由真空开关支路向固态开关支路转移，而不是依靠弧压实现电流转移（具体分析见第 2 节 t2t3阶段分析），此转移过程可以控制在 1ms之内。而真空开关触头分离时刻是在上述转移过程后期或转移完成后，真空开关属于无弧或少弧操作，电气寿命可更长。而传统 DCCB 是依靠真空开关弧压实现的自然换相。待转移完成后固态开关承担主电流，耦合电抗器一次绕组和阻容元件可以限制故 820 电 工 技 术 学 报 2023 年 2 月 障电流峰值，故障电流由 DCCB 的 15.3kA 降低至CR-DCCB 的 8.1kA，避雷器耗能时间也缩短。综上所述，由于耦合电抗器可大幅加速电流转移过程，而阻容元件在电流转移到固态开关支路后限制其电流峰值，在正常通流过程中不会额外增加通态损耗。图 2 DCCD 和 CR-DCCB 开断过程对比 Fig.2 Comparison diagram of the DCCB and CR-DCCB 2 CR-DCCB 工作过程分析 下面以正向故障开断为例，不同阶段电流路径示意图如图 3 所示。图中 uN为系统电压，RS、LS分别为等效线路电阻和电感，Rload、Lload分别为等效负载电阻和电感。1）正常通流阶段（t0 t1）系统正常通流阶段时，系统额定电流 i0表示为 N0SloaduiRR=+（1）2）故障检测阶段（t1 t2）短路故障发生后，故障电流迅速增加，耦合电抗器可以起到一定的限流作用，耦合电抗器和系统电抗共同决定电流上升率，即 11110()/N()/SNS12e1 edd2t tt tuiiRuitLLLM=+（2）式中，1S12S(2)/LLLMR=+；L1为一次电感；L2为二次电感；M 为互感。图 3 不同阶段电流路径示意图 Fig.3 Schematic diagram of current path at different stages 3）电流转移阶段（t2 t3）检测到故障后，同时向固态开关发出导通命令和快速真空开关分闸命令，固态开关微秒级实现合闸导通，快速真空开关分闸需要 0.52ms。此时触头仍然处于闭合状态，由于耦合电抗器的作用电流开始从由真空开关转移至固态开关。根据电流 KCL 定律和耦合原理，此阶段 CR-DCCB 满足 12122ddddLiiiiiUMLtt=+=+（3）式中，UL2为二次绕组 L2的压降；i、i1、i2分别为主支路电流、真空开关支路和固态开关支路电流。由于电流转移阶段固态开关支路导通压降较小11，与之并联的耦合电抗器二次侧和真空开关支路电压较低，可将 UL20，进而得到 122212dddddd1dd 01iMitLtiMitLtMkkL L+=（4）第 38 卷第 3 期 程 显等 基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构研究 821 式中，k 为一、二次绕组耦合系数。为研究耦合系数对电流转移影响，此阶段假设阻容取值较小，因此对转移过程影响较小。将耦合电抗器进行等效化简，由式（4）可知 N1122S1N21221Sdd1d1d(1)uiLtLLkLkkuiLktLkLL+（5）耦合系数一般取0.850.95，再次取k1，进而简化得到 N112SN212Sddd1duiLtL LuiLtLL+（6）由式（6）可知，当耦合电抗器一、二次电感比值较大时，真空开关支路电流下降率较大，固态开关支路电流上升率较大，说明耦合电抗器可以实现加速电流转移，且一、二次电感比值越大，转移越快。4）真空开关触头分闸阶段（t3 t4）在上述转移过程（t2 t3）中，快速真空开关由于其固有的分闸时间，触头仍然处于闭合状态。在电流转移的后期或转移完成后，真空开关触头分离。触头分离是在转移完成后还是后期主要取决于转移时间和分闸时间的大小。如果分闸时间大于转移时间，则真空开关触头分离不产生电弧。当分闸时间小于转移时间，则真空开关在转移过程后期电流较小的阶段拉弧，即产生小电流电弧。因此CR-DCCB中真空开关属于无弧或少弧分断。5）真空开关介质恢复阶段（t4 t5）真空开关电弧在t4时刻熄灭，介质强度开始恢复，主电流完全由固态开关支路承担，该阶段电流路径如图3c所示，t2时刻电容电压为零，根据以上条