直流高速真空断路器灭弧方案的仿真研究

《电气开关》（２０１４．Ｎｏ．１）　３７　文章编号：１００４—２８９Ｘ（２０１４）０１—００３７—０４　直流高速真空断路器灭弧方案的仿真研究　高银银，方雨菡　（西南交通大学电气工程学院，四川　成都摘６１００３１）　要：对直流断路器研制的关键问题——直流高速真空断路器灭弧方案，介绍了几种典型的直流断路器灭弧方　案的工作原理。在此基础上，结合具体实例，对采用电流转移原理，实现灭弧进行理论与Ｍａｔｌａｂ仿真建模。仿真　结果表明，采用电流转移原理灭弧的直流高速真空断路器具有可行性。　关键词：直流断路器；灭弧方案；电流转移原理；Ｍａｔｌａｂ仿真　中图分类号：ＴＭ５６　文献标识码：Ｂ　Ｒｅａｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ａｒｃ　Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　Ｐｒｏｇｒａｍｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＤＣ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｒｅａｋｅｒ　ＧＡ０　Ｙｉｎ—ｙｉｎ，ＦＡＮＧ　Ｙｕ—ｈａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６　１　００３　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍｓ　ａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｑｕｅｓｔｉｏｎ—Ａｒｃ　Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　Ｐｒｏｇｒａｍｓ　ｏｆ　ＤＣ　ＨＳＶＣＢ，ａｎｄ　ｗｏｒｋ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｋｉｎｄｓ　ＤＣ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｒｅａｋｅｒ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ，ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｅｘａｍ—　ｐｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ａｄｏｐｔｓ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ＤＣ　ａｒｃ　ｔｏ　ｅｘｔｉｎｃｔ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｒｃ　ｅｘｔｉｎｃ—　ｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｓ　ｉｎ　Ｍａｔｌａｂ　ａｒｅ　ｂｕｉｌｔ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｉｔ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｔｈａｔ　ａｄｏｐｔｓ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ａｒｃ　ｔｏ　ｅｘｔｉｎｃｔ　ｏｆ　ＤＣ　ＨＳＶＣＢ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＤＣ　ｂｒｅａｋｅｒ；ａｒｃ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍｓ；ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｍａｔｌａｂ　１　引言　近年来，随着科技的进步，作为解决高电压、大容　量、长距离送电和异步联网重要手段的直流输电技术　正越来越受到广泛的应用。相比交流输电，直流输电　有较好的经济效益和优越的运行特性。为了增加直流　４０多年的历史。直流断路器的主要问题就是没有可　直接熄灭电弧的电流零点。因此，要采取有效方案使电　弧电流减小到零，以致熄灭电弧，对开关电器进行保护。　目前对直流断路器灭弧方案的研究已引起国内外的高度　重视，欧美各国、日本的直流系统和电力部门的研究所及　高等院校均设置了相关机构从事这方面的研究　Ｊ。　输电的灵活性、多样性，人们希望采用多端直流输电系　统，直流断路器成为直流电力系统的“瓶颈”问题　。　２直流高速断路器熄灭电弧方案　国内外采用的直流高速断路器熄灭电弧方案基本　可以归纳为：反向电压法、电流转换法、自激振荡法和　电流转移原理的方法。　２．１反向电压法　一　直流电流的开断不像交流电流那样可以利用交流电流　的过零点，直流断路器的主要问题就是没有可直接熄　灭电弧的电流零点。因此，直流开断最重要的问题，是　要采取有效措施让开断直流电流必须创造过零点，使　电弧电流减小到零，以致熄灭电弧。　真空断路器起初由英国和美国进行开发，随后Ｅｔ　本、西德也进行开发研究，在这些国家的配电系统中运　行。国内真空断路器行业相对国外来说起步比较晚，　但是自真空开关６０年代初进入电力系统以来，已有　一由电弧方程可知，如果电弧电压高于系统电压时，　电弧就可以熄灭，这就是反向电压法。这种灭弧方式　般用于早期的低压直流断路器，靠在触头分断时灭　弧室强烈的冷却作用来消除电弧能量，使电弧电压得　到提高，从而达到熄弧的目的。　３８　《电气开关》（２０１４．Ｎｏ．１）　但这种切断原理上说不可避免地存在着触头与灭　弧栅的损耗，而为了维持其可靠性，则需要频繁地进行　维护与检查。此外，由于需要大的电弧间隙和飞弧距　离而难于小型化。　２．２电流转换法　３仿真分析　由图１中示，结合某船用直流系统保护断路器对　图２系统发生短路时电路进行仿真分析。　其技术指标和参数为…：　额定工作电压：ＤＣ１５００Ｖ；　额定工作电流：４０００Ａ；　最大预期短路电流：６０ｋＡ；　在一般的使用场合，大部分系统残余能量是靠将　电流转换至电阻或电容器中耗散的，少部分能量则借　助燃弧来耗散。为了切断直流电弧，在直流断路器的　发展过程中，出现了一类分段限流式直流断路器，它是　先对直流进行限流，然后开断。即在发生故障时，利用　各种手段来实现限流，比如在线路中串联一定量的电　感，或在分断时在电路中串有一定量的电阻来限流。　但其动作时间长，开断电流小。　２．３　自激振荡法　自激振荡法由Ｌ—Ｃ电路及电弧本身组成的振荡回　路的高频振荡电流来建立电流零点。这种振荡主要取　决于电弧的安秒特性。但此类高压断路器的分断能力　不是很高，而且价格也比较昂贵。因此在实际应用中　受到很大的。　２．４　电流转移法【４’　Ｊ　由于直流电弧没有自然零点，分断时需在直流上　迭加交流，产生电流过零点，实现开断，也就是所谓的　电流转移原理。即电流转移法就是利用预充电的电容　器通过电感放电产生一个高频反向电流，叠加在直流　断路器上，从而达到建立电流零点的目的。图１所示　为典型的电流转移原理示意图，图中电容器Ｃ预充有　一定等级的电压，当出现短路故障时，灭弧室ＣＢ１分　断，同时ＣＢ２闭合，使预充电的电容器ｃ经灭弧定　ＣＢ１放电。此时电流，２的正半波的方向与，　相反，并　迫使流过ＣＢ１的电流为零，使ＣＢ１得到了较好的开断　机会。　Ｅ　图１电流转移原理图　电流转移原理是近年来较受关注的一种灭弧方　式，它主要用来开断大电流且成功率较高。　最大短路电流上升率：３０００Ａ／ｍｓ。　图２系统发生短路不意图　图２为直流工作系统发生短路的示意图，此时主　断路器ＣＢ１已接到命令开始分闸，产生电弧，并且触　头分开到一定的开距，系统中的短路电流快速上升。　控制系统同时发出指令闭合ＣＢ２，引入转移电流，促使　ＣＢ１中电流过零，并且在某时刻熄灭电弧。针对以上　各阶段，用等效电路做如下分析。　（１）ｔ＝０时，系统发生短路故障，此时其等效电路　如图３所示，属于一阶全响应电路。　Ｅ　Ｋ　Ｒｌ　图３发生短路时刻等效电路图　。＝　＋【＋（　一　）　Ｊ　ｅ－上　（１）　Ｔ：Ｌ／Ｒ　（２）　－＝Ｌ１－　　ｄｉｌ＝一　（一Ｒ１　Ｕ（　１一击）玄　７ｅ｛　　（３）　当短路发生１ｍｓ后，故障电流的表达式为：　ｉ（ｔ）＝６００００—５６０００ｅ　・“　（４）　其短路波形仿真图如图４所示。　（２）在ｔ＝ｔ　时刻，断路器ＣＢ２闭合，引入转移电　流，此时等效电路如图５所示。　《电气开关》（２０１４．Ｎｏ．１）　图４直流系统短路波形仿真图　ＣＢ１　ＣＢ　图５转移电流教人时剡，寺双图　在ｔ。时刻，设短路电流上升至，２时，闭合ＣＢ２，此　时电路属于二阶零输入响应。　ｆ　ｃ＝　＋　ｄｉ２　（５）　ｃ警　㈤　・　・．＋ＲＥＣ　ｕｖ　Ｃ＋Ｕ．．　　ｚｃ　＋ｃ：０　＝０　（７）（７）　解上面二阶常系数齐次线性微分方程，由于Ｒ　＜　２　Ｊｃ２／ｃ一，所以此二阶零输入问题的解是一种欠阻尼　衰减振荡情况。　Ｒ２／＇１２　：一　＋ｚ，一　√＾√／　一去一４堕一　Ｌ２２￣＝　０３　（８）Ｕｃ＝ｋ・ｅ　・ｓｉｎ（３ｔ＋　）　（９）　Ｕｃ（０）＝ｋ・ｓｉｍｐ＝一Ｕ　（１０）　又　Ｌ：Ｌ　ｉｃ　Ｃ　：　＝—　ｄ　ｔ　（１１（）　ｉ　（ｔ　）＝，２　（１２）　得　￣，ｏＵｏ　：——：ａｒｃｔａｎ二旦　（１３）　３９　＝　２　（　此时通过主断路器ＣＢ１中的电流为：　，＝　＝　Ｕ＋ｉｆｚ　Ｕ，＿Ｕｏ：ｅ，￣（ｔ－ｔ１）ｓｉ蚴（Ｈ。）（１５）　当短路发生到一定时刻，见图４所示，在６ｍｓ左右　引入转移电流，此时在转移回路当中形成振，可得流过　ＣＢ２的电流波形如图６所示。　０　０　ｏ０２　０∞４　０　ＯＯ６　０　００８　０１０　图６转移电流振荡波形图７转移电流投入后的振荡波形　由图６可见，转移振荡电流在第一波峰处超过　２０ｋＡ，在此时刻，它与直流系统短路上升电流反向相　叠加，就可以迫使电流过零，仿真如图７所示。　（３）在ｔ＝ｔ　时刻，断路器ＣＢ１熄灭电弧，将转移　回路串入系统中，此时等效电路如图８所示。　图８　电弧熄灭后系统等效原理图　根据磁链守恒原理，电路中全部电感中总磁链保　持不变：　∑砂（０＋）＝∑０（ｏ一）　（１６）　即：　ｌ　Ｌ　（０＋）＋Ｌ２ｉ『２（０＋）＝Ｌ１ｉＬｌ（０一）Ｌ２ｉＩ２（０一）（１７）　且换路后，　ｉ　（０＋）＝ｉ　（０＋）＝ｉ（０＋）　（１８）　（０＋）　—　［　（０一）＋￡ｚ　（０一）］　（１９）　此时线路中电感值对弧后电流的影响如图９所　示。　为了减小振荡电流对断路器的影响，必须采取措　施，采用ＺｎＯ避雷器来消除电感中的能量　，如图　１０所示。进一步切断电路中的剩余电流等。　《电气开关》（２０１４．Ｎｏ．１）　Ｊ　—ＵＮ　图９线路中电感值对　图１０　ｚｎ０非线性　弧后电流的影响　电阻伏安特性　由图１０，得知ＺｎＯ非线性电阻的最大特点是当加　在它上面的电压低于它的阀值“　”时，流过它的电流　极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过　时，流　过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可　以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受　过电压的损害。　４对整体电路分析　对三个阶段整体分析。系统建模如图１　１，选参数　Ｌ２＝１１．２５Ｈ，Ｃ＝２０００￣Ｆ。　Ｓｃｏｐｅ　图１１系统建模图　０　／１０　００５　　０　０１０　０　０１　５　０　０２０　０　０２５　０　０３０　０　０　００５　０　０ｌ０　０　０Ｉ　５　０　０２０　０　０２５　０　０３０　时问（ｓ）　时阃（ｓ１　图１２，。短路波波形仿真图　图１３，２震荡波形仿真图　仿真分析如图１２，图１３。仿真结果说明采用电流　转移原理的直流高速真空断路器能有效抑制电弧的产　生，并产生电流人工过零点。另外，在实际的直流系统　中，线路的电感值是很大的，可能会高达毫亨量级。这　样可能是一个幅值较大的交流电流，这对系统来说也　是一个较大的威胁。所以采用ＺｎＯ避雷器措施能进　一步切断电路中的剩余电流。　５　结论　通过介绍几种典型直流断路器灭弧方案的原理，　本文主要对选用电流转移电路及转移原理进行分析与　仿真研究，对其分断故障电流的三个阶段及整体系统　结构分别进行理论分析与Ｍａｔｌａｂ建模仿真。结合具　体船用直流系统，仿真分析得出采用电流转移灭弧方　案的直流高速真空断路器可以成功地实现故障电流的　分断，随着我国电力工业发展，在实际应用中具有一定　的意义。　参考文献　［１］　董恩源．基于电子操动的快速直流断路器的研究［Ｄ］．大连理工　大学，２００４．　［２］　缪云青．基于开关电源的地铁杂散电流自动检测和动态补偿装置　［Ｄ］．首都师范大学，２００６．　［３］董恩源，丛吉远，邹积岩，等．１５００Ｖ船用新型直流断路器的研究　［Ｊ］．中国电机工程学报，２００４，２４（５）：１５３—１５６．　［４］　鸟尔曼．直流输电［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８３．　［５］　浙江大学发电教研组直流输电科研组．直流输电［Ｍ］．北京：电力　．Ｙ－，＿ｌｋ出版社．１９８２．　［６］Ｌｅｅ　Ａ，Ｓｌａｄｅ　ＰＧ，Ｙｏｏｎ　ＫＨ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ＨＶＤＣ　ＳＦ６　Ｂｒｅａｋｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９８５，１０４（１０）：　２７２１—２７２９．　［７］　Ｓａｋａｉ　Ｍ，Ｋａｔｏ　Ｙ，Ｔｏｋｕｙａｍａ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｆｉｅｌｄ　Ａｐｐｌｉｅａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｉｃ　Ｒｅｔｕｒｎ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ　Ｂｒｅａｋｅｒ　ｆｏｒ　ＨＶＤＣ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ『Ｊ１．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，１００（１２）：４８６０—４８６８．　［８］赵畹君．高压直流输电工程技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，　２００４．　［９］　阿津莱加．高压直流输电［Ｍ］．重庆：重庆交通大学出版社，１９８７．　［１０］ＤａｇＡｎｄｅｍｓｏｎ，Ａｎｄｅｒｓ　Ｈｅｎｒｉｋｓｓｏｎ．Ｐａｓｓｉｖｅ　ａｎｄ　Ａｃｔｉｖｅ　ＤＣ　Ｂｒｅａｋｅｓｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｔｈｒｅｅ－Ｇｏｒｇｅｓ—Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　ＨＶＤＣ　Ｐｒｏｊｅｃｔ［Ｃ］．Ｉｃｐｓ　２００１　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，　Ｗｕｈａｎ，Ｃｈｉｎａ，２００１．　［１　１］Ｔｏｋｕｙａｍａ　ｓ，Ａｒｉｍａｔｓｕ　Ｋ，Ｙｏｓｈｉｏｋａ　Ｙ，ｅｔ　１ａ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｉｎｔｅｒ－　ｒｕｔｉｎｇ　Ｔｅｓｔ　ｏｎ　２５０ｋＶ／８ｋＡ　ＨＶＤＣ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｒｅａｋｅｒ［Ｊ］．１ＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　ｐｏｗ—　ｅｒＡｐｐａｒａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９８５，１０４（９）：２４５３—２４５９．　［１２］　李天和．大功率开关装置的物理基础与工程应用［Ｍ］．北京：电　力工业出版社．１９８２．　［１３］ＧｒｅｅｎｗｏｏｄＡ　Ｎ，Ｂａｒｋａｎ　Ｐ。ＫｒａｃｈｔＷ　Ｃ．ＨＶＤＣ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｒｅａｋｅｒ　［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９７２（９２）：１５７５—１５８８．　［１４］Ｄａｒｗｉｓｈ　ＨＡ，Ｉｚｚｕｌａｒａｂ　ＭＡ，Ｅｌｋａｌａｓｈｙ　ＮＩ．Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ＨＶＤＣ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｒｅａｋｅｒｓ　Ｐａｒｔ　Ｉ：Ｂｅｎｃｈ　Ｔｅｓｔ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｃ】．ＩＣＥＥＣ　０４，Ｃａｉ—　ｏｒ，Ｅｇｙｐｔ，２００４．　［１５］　Ｋｒａｕｓｅ　Ｃｈ，ｅｔ　ａ１．Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｍｏ—ｓｕｒｇｅ　ａｒｒｅｓｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＨＶＤＣ—ｓｙｓｔｅｍ．６ｔｈ　ＩＳＨ　Ｎｅｗ　Ｏｒｌｅａｎｓ－ＬＡ　ＵＳＡ　Ａｕｇ．２６，１９５９．５．　［１６］　孙业武．金属氧化物避雷器１０ｋＶ电容器组操作过电压的研　究［Ｊ］．中国电力，１９９５．５．　［１７］黄艳．氧化锌避雷器操作过电压研究［Ｊ］．高电压技术，　１９９７．３：８０—８２．　收稿日期：２０１３—０３—０５　作者简介：高银银（１９８８一）女。硕士研究生，研究方向为牵引供电系统。