一种新型混合式直流限流断路器的原理与验证

王云河

（海军驻七一二所军事代表室，武汉 430064）

0 引言

到目前为止，机械式断路器依然是中高压电力系统中应用的最广泛的保护设备。然而，这种依靠熄弧方式实现电路分断的断路器在系统应用中暴露出了许多问题，影响电力系统的安全可靠运行。

得益于大功率半导体器件的飞速发展，使用半导体器件替代断路器中的机械部分成为了可能。尽管这种基于半导体器件的固态断路器具备了无弧、快速的优良分断性能[1]，但是因半导体器件的通态损耗较大，阻碍了固态断路器的发展。

混合式断路器将快速机械开关和半导体器件集成在一起，利用机械开关导通正常负载电流以降低通态损耗，利用与之并联的半导体器件实现电流的快速分断，将二者的优点结合起来，同时避免了各自的缺点，具有良好的发展前景[2]。图1所示的基于IGCT的零电压混合式断路器已经在中低压系统进行了成功的应用[3]。但是受制于功率半导体器件有限的电压电流等级，要想进一步提高断路器的容量，需要将半导体器件进行串并联应用，然而这种应用还有很多技术难题有待解决。

图1 基于IGCT的零电压开关

鉴于此，本文介绍了一种基于IGCT和晶闸管的新型混合式限流分断方案，能显著提高设备的容量和电压等级。

1 新型混合式限流断路器

1.1 拓扑结构

新型混合式限流断路器的主要设计思想是将快速机械开关和功率半导体器件串联起来共同承担电压，并利用半导体器件关断时在压敏电阻上产生的过电压来实现电流的迅速转移，最终达到无弧快速限流分断的目的。拓扑结构如图2所示，主要由5个单元组成。

1） 主开关单元由快速机械开关S构成，要求其通态损耗极小，并能在断路器分断电路后，承受全部的系统电压。

2） 串联换流单元由大功率半导体器件 IGCT和与之并联的压敏电阻MOV构成，用以向主电流通路中插入高值阻抗，并迫使电流向并联换流单元转移。IGCT因其优良的硬关断能力和相对较小的通态压降而成为本方案中的理想选择。MOV将IGCT的关断过电压钳制在其安全范围以内，并联换流回路以此电压为激励，实现电流的快速转移。

3） 并联换流单元由大功率晶闸管T构成，在主开关S可靠分断之前，提供电流通路，S分断之后，分断电流。

4） 限流单元由限流电感 L和限流电阻 R构成，L一方面用来产生高频振荡电流，为晶闸管的关断提供电流零点，另一方面限制晶闸管中的电流上升率di/dt。R将系统短路故障电流限制在一定水平，以满足系统选择性保护的要求。

5） 储能单元由脉冲电容器 C构成，在产生高频振荡电流关断晶闸管的过程中，吸收系统短路故障时线路电感中存储的能量。

图2 新型混合式限流断路器拓扑

如果方案中没有限流电阻 R，那么它就是一个快速断路器，将在晶闸管T电流过零关断后完成电路的分断。如果将R投入，它将作为限流器限制系统短路电流，并与配套的断路器一起保护系统安全。

1.2 工作原理

1） 在系统正常工作状态时，开关 S闭合，IGCT导通，负载电流从S和IGCT中流过。

2） 当系统出现短路故障时，同时发出IGCT关断信号、开关S分断信号和晶闸管T开通信号。

3） IGCT经过几个微秒延时后进入电流下降阶段，系统电流迅速转移至压敏电阻MOV当中，器件两端的电压被压敏电阻MOV限制在饱和值U0，在电压U0的作用下，晶闸管 T正偏导通，LC强迫换流回路迫使电流迅速从主开关单元向并联换流单元转移。

4） 在机械开关S电流减小到零以后，触头才会开始分离，从而实现零电流分断，分断过程没有电弧产生。

5） 此后，LC换流回路串入系统工作，电容C吸收系统电感中存储的能量，当能量完全转移至C中以后，电容电压达到最大，系统电流减小为零，晶闸管T自然关断，断路器分断过程结束。

6） 若将限流电阻R投入，那么在电流转移至并联换流单元以后，随着电容电压的不断增加，系统电流将逐渐从电容C转移至电阻R当中，并最终达到稳态值US/（R+RS）（其中US为系统母线电压，RS为等效线路电阻），实现限制短路电流的目的。

1.3 与传统混合式断路器比较

从上述分析不难发现，新型混合式限流断路器由半导体器件IGCT和机械开关S共同承受电压，巧妙利用IGCT关断时压敏电阻的钳位电压来激励 LC强迫换流回路完成电流的转移，具有如下优点：

1） 能显著提高断路器的容量和电压等级。

2） 与传统的零电流开关相比，不必再为电容C进行预充电，省去了复杂的充电电路。

3） 与传统的零电压开关相比，不再依靠电弧压降来实现电流转移，电流的转移过程更加迅速。

2 仿真验证

为了对限流断路器的工作过程进行验证，本文在Matlab/Simulink中建立了系统仿真模型。仿真参数为：系统电压US=5000 V，线路电感LS=150 μH，线路电阻RS=40 mΩ，换流电感L=15 μH，储能电容C=100 μF，限流电阻R=1 Ω，压敏电阻残压U0=3000 V。快速分断仿真结果如图3所示，限流仿真结果如图4所示。

从图中可以看出，系统发生短路故障后，当短路电流上升到约3500 A时，同时发出IGCT关断信号、S分断信号和晶闸管开通信号，MOV将IGCT关断过电压钳制在3000 V左右，并靠此电压迫使 S中电流向晶闸管中转移；大约经过 20 μs，电流完全转移至晶闸管当中，因为实际的 S最快也需要 100 μs才能进入触头的有效分离阶段，因此能真正实现机械开关的无弧分断。

在没有限流电阻R时，当电流完全转移至晶闸管中后，晶闸管随着二阶电路振荡电流过零而关断，至此分断过程结束。整个分断过程用时约400 μs，系统出现的短路电流峰值仅有5100 A，电容C因吸收能量而使电压达到了11.3 kV。

有限流电阻R时，当电流完全转移至晶闸管中后，二阶电路经过一个暂态过程，将系统短路电流稳定在了约5000 A。整个限流过程用时大约1 ms，系统出现的短路电流峰值约为5900 A，电容电压峰值约为5500 V。

图3 快速分断仿真结果

3 结论

基于大功率半导体器件实现的混合式断路器为电力系统提供了全新的保护理念，然而受半导体器件功率等级所限，传统的混合式断路器很难进一步提高电压电流等级。本文研究的新型混合式断路器利用 IGCT和机械开关共同承受电压，能显著提高设备容量和电压等级，并能真正实现机械开关的无弧分断。快速分断仿真结果表明，断路器能在400 μs时间内完成电路分断，并将短路电流峰值限制在5100 A。限流仿真结果表明，限流器能在1 ms时间内将短路电流限制在稳定值5000 A，限流过程出现的短路电流峰值约为5900 A。

图4 限流仿真结果

[1] Christoph Meyer, Rik W. Design of a novel low loss fault current limiter for medium voltage systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2004,（3）:1825-1831.

[2] Jean-Marc Meyer ,Alfred Rufer. A DC hybrid circuit breaker with ultra-Fast contact opening and integrated gate-commutated thyristors [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21（2）:646-651.

[3] B.Roodenburg, A. Taffone, E. Gilardi,et al. Combined ZVS-ZCS topology for high-current direct current hybrid switches: design aspects and first measurements[J]. IET Electronic Power Applications,2007, 1（2）:183-192.

[4] Peter M.McEwan. A two-stage DC thyristor circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,1997, 12（4）:597-607.