淺析斷路器的畢業論文

　　隨著國家863高技術研究發展計劃的展開，在電力傳輸上具有低損耗、無需同步;光伏發電、風力發電等并網;地區電網互聯、地區孤島供電等方面比傳統配電系統具有一定優勢的中低壓柔性直流輸電系統將是配電網主要發展方向。推進中低壓柔性直流輸電系統(VSC-HVDC)發展技術難點之一就是具有快速開斷能力的直流斷路器。現階段中低壓柔性直流輸電系統實現電流開斷的方法主要有閉鎖換流器中的換流閥和在交流側用交流斷路器開斷兩種。用這兩種方法不但會使系統出現停運情況而且也會對并列運行的交流輸電系統造成嚴重沖擊，降低了供電可靠性。

　　因此，成功研制中壓斷路器可以有效推動中低壓柔性直流輸電系統(VSC-HVDC)的發展。直流斷路器的開斷相比于交流斷路器的開斷來說要困難的多，因為直流電流不同于交流電流存在自然過零點，直流電弧比交流電弧要難于熄滅;而且直流輸電系統的線路阻抗與交流輸電系統相比，前者遠遠小于后者，因此直流輸電系統的一旦發生故障，其故障電流增長速度比交流系統的故障電流要快的多;此外，在開斷的過程中，在直流系統電感中存儲的能量，需要斷路器來吸收。現階段研發出的直流斷路器主要分為：利用傳統機械開關開斷的純機械式直流斷路器、利用電力電子器件(SCR、GTO、IGBT等)開斷的全固態直流斷路器，以及將兩者相結合的混合式直流斷路器三種。其中混合式直流斷路器將純機械式和純固態式的優點相結合，具有導通損耗低;開斷速度快、特性好的特性，成為了近年來直流斷路器領域的主要研究方向。給出了傳統純機械式直流斷路器、使用電力電子開關的全固態直流斷路器以及兩者結合后衍生的混合式直流斷路器的工作原理，給出了其拓補結構，并分析了各個類型斷路器存在的優點以及缺點，通過Matlab/Simulink仿真實驗進行了相關的實驗驗證提出方案的可行性。

　　三種直流斷路器結構

　　1、純機械式直流斷路器因為直流電流不同于交流電流存在自然過零點，直流電弧比交流電弧要難于熄滅。在低壓直流系統中開斷小電流，通過提高直流電弧的電壓、增加限流電阻數量以等方法可以實現直流電弧的強迫熄滅。但在中高壓直流系統中，低壓直流系統熄弧方法受到一定的局限性，通過對交流斷路器進行改造可以實現中高壓直流系統的熄弧，一般的改造方法有疊加LC振蕩電路或者能量吸收電路。美國的GE公司的曾提出了一種機械式直流斷路器，采用的熄弧方法是增加LC振蕩換流電路，圖1給出了其拓撲結構。但是，無論交流斷路器的操作機構是液壓還是彈簧的，其分閘在時間18～65ms之間，合閘時間在60～150ms之間，這對于故障電流增長速度比交流系統要快的多的直流系統來說，開斷時間較長，不能快速切斷短路電流，隔離故障點，容易擴大事故面積。

　　2、全固態直流斷路器因使用半控型或全控型電力電子開關(SCR，基于SCR研發的半控型斷路器具有常態壓降低、開斷容量大、控制策略簡單、整體價格低以及可靠性較高的優點;但在開斷直流電流時需要疊加LC振蕩電路作為換流回路，制造出人為過零點，使電路結構更加復雜化，同時增大了斷路器的整體體積;SCR較低工作頻率使得斷路器的開斷速度也較低。基于GTO研發的全控型斷路器優點與基于SCR研發的半控型斷路器類似，且開斷速度比后者要高;但GTO的常態壓降要比SCR高，較高的門極驅動功率也需要復雜的驅動電路。基于IGBT研發的全控型斷路器與基于GTO研發的全控型斷路器優點基本相同，且其開斷速度更快，但IGBT的容量卻比GTO小，這就意味著開斷同樣的電流需要串聯的IGBT數量要多于GTO，且IGBT的價格也高于GTO;比IGBT性能更好的IGCT因為成本過高也使全固態型直流斷路器的.成本過高而不適于推廣。

　　3、混合式直流斷路器混合型直流斷路器采用的關斷原理是電流轉移法來實現直流系統的開斷，綜合了傳統純機械式靜態特性和全固態式動態特性。根據其不同的電流轉移方式，可將其分為自然換流型和強制換流型。自然換流型固態開關的構成多由GTO、IGBT和IGCT等構成，其開斷原理為：當機械開關斷開時產生的電弧電壓大于電力電子開關的導通電壓時，電力電子開關被觸發導通，當電弧不斷被拉大以后，電弧上的壓降遠遠大于電力電子開關器件的通態壓降，主電路中的大部分電流都向支路上轉移。最終使得主開關在很小的電流下進行分斷，因此其開斷電流能力取決于固態開關所使用的電力電子器件。圖3給出了其拓撲結構。強制換流型開斷原理為：斷路器開斷之前，利用外部充電電源給電容C預先充完電。斷路器分斷電路時，打開高速機械開關，與此同時，觸發固態開關導通。電容C給機械開關反向沖擊振蕩電流，該電流與機械開關的電弧電流相迭加產生的振蕩電流在電弧拉長的某一時刻時，主電路上迭加的振蕩電流產生強迫型過零點，電弧被熄滅。電弧熄滅以后電源不斷給電容C充電，當電容C的電壓大于氧化物避雷器的閾值電壓時，電流全部向避雷器轉移。完成直流電路的分斷任務。圖4給出了其拓撲結構。

　　現階段的電力電子開關的單管功率不高，多管串、并聯的控制電路復雜，存在一定的技術問題，且多管串、并聯后的散熱也影響斷路器的整體功能，綜上所述，本文提出一種增加限流電路后使用單管IGCT作為固態開關的中壓混合式斷路器。

　　改進后的混合直流斷路器

　　改進后的混合直流斷路器其拓撲結構如圖5所示。其在分斷短路電流的工作原理為：當線路上發生短路故障后，限流電路立即抑制線路中的短路電流上升;當檢測電路識別出短路電流超過斷路器動作設定值后，即向機械開關斷開信號，向IGCT發出導通信號，機械開關動作，動靜觸頭之間產生電弧，當電弧電壓達到IGCT的觸發電壓后，IGCT即導通，此時電弧電壓即被控制在IGCT的導通壓降，由于此時機械開關動靜觸頭間的電阻大于IGCT的內阻，短路電流將從IGCT中流過。機械開關即在IGCT的導通壓降和極小電流下分斷。當機械開關完全分斷后即向IGCT出關斷信號，IGCT關斷后，緩沖吸收回路中的RT、CT即減緩關斷電壓的上升速度，保證IGCT不被損壞，短路電流被強迫轉移至MOV中消耗。分斷正常電流與分斷短路電流原理相似，這里不做贅述。

　　仿真及試驗驗證

　　根據圖4所示的拓補結構在Matlab/Simlink中建立仿真模型，仿真模型中參數設置如表1所示。仿真結果如圖6所示，系統發生短路后，系統電流快速上升并在0.75ms時到達100A，此時斷路器動作，1.25ms時IGBT導通，開始換流。由圖6可以看出系統電流在3.8ms時下降到0A，完成開斷故障系統的任務。

　　結束語

　　給出了傳統純機械式直流斷路器、使用電力電子開關的全固態直流斷路器以及兩者結合后衍生的混合式直流斷路器的工作原理，給出了其拓補結構，并分析了各個類型斷路器存在的優點以及缺點，得出了混合式直流斷路器具有傳統純機械式靜態特性和全固態式動態特性性的優點，是現階段直流斷路器的主要研究對象。在現有的混合式直流斷路器研究的基礎上進行完善，通過使用新型電力電子開關和增加限流電路的方法提高了斷路器的性能，與現有的斷路器相比，具有以下優點：開斷短路電流時間短，具有較好的可控性，開斷短路電流時機械開關動靜觸頭產生的電弧小甚至沒有電弧產生，正常導通狀態損耗小。通過Matlab/Simulink仿真實驗驗證了該方案的可行性。

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