混合型中壓直流真空斷路器的研究
提出了一種基于強迫換流原理的混合型中壓直流真空斷路器方案。闡述了關(guān)鍵部件如斥力真空觸頭機構(gòu)增強通流能力和提高初始速度的方法，脈沖功率組件串聯(lián)應(yīng)用和提高浪涌通流技術(shù)，避雷器的技術(shù)要求及參數(shù)設(shè)計的原則，介紹了已開展的工作。對換流過程進行了理論分析，研制了額定5 kV/6 kA斷路器樣機，進行了系列實驗，驗證了理論分析和參數(shù)選擇的有效性。
引言
隨著艦船綜合電力系統(tǒng)的提出， 電力推進方式和高能武器的出現(xiàn)， 艦船電力系統(tǒng)發(fā)生革命性的變化，其地位從輔助系統(tǒng)變成主動力系統(tǒng)，容量急劇增大。直流區(qū)域配電以其高效、靈活的優(yōu)點成為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的首選，艦船電力邁向中壓直流系統(tǒng)。艦船直流母線額定電壓可達5 kV，額定電流可達6 kA，故障時最大短路電流上升率將達到20 A/μs 以上，預(yù)期短路電流峰值時間2~5 ms，峰值電流高達110 kA。
現(xiàn)有的艦船直流保護設(shè)備均為低壓電器， 不適用于中壓系統(tǒng)， 無法為艦船的中壓直流電力系統(tǒng)提供有效保護，中壓直流斷路器的缺乏成為制約艦船直流電力系統(tǒng)進入工程應(yīng)用的一個主要因素。基于強迫換流原理的混合型直流真空斷路器(HDCVB)是直流中高壓開斷的有效方式。俄羅斯全俄電力技術(shù)研究所研制了額定3.3 kV/3 000 A 直流真空限流斷路器， 并進行了180 A 小電流、1.9 kA 近額定電流和10 kA 短路電流3 種不同工況下的開斷實驗。西安交通大學(xué)研制的人工過零真空斷路器進行了4.1 kA 和29 kA 的分?jǐn)鄬嶒灒Ａ粼趯嶒炇译A段。上述成果難于滿足艦船中壓直流電力系統(tǒng)的參數(shù)要求。海軍工程大學(xué)提出了一種基于強迫過零原理的改進拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在低壓參數(shù)下對斷路器的設(shè)計、小開距下介質(zhì)恢復(fù)特性進行了實驗研究，為研究混合型中壓直流真空斷路器奠定了基礎(chǔ)。
筆者首先介紹基于強迫換流原理的混合型中壓直流真空斷路器方案，并對其關(guān)鍵部件斥力真空觸頭機構(gòu)、脈沖功率組件及避雷器和換流過程進行了分析設(shè)計，最后給出了典型分?jǐn)鄬嶒灐?/p>
1、混合型直流真空斷路器工作原理
混合型直流真空斷路器典型結(jié)構(gòu)見圖1， 它由斥力真空觸頭機構(gòu)(VI)、換流電路(C-F-L-D)和避雷器(MOA)并聯(lián)組成。
圖1 HDCVB 結(jié)構(gòu)示意圖
正常情況下，斥力真空觸頭機構(gòu)處于合閘狀態(tài)，換流晶閘管組件處于關(guān)斷狀態(tài)，換流電容預(yù)充電。當(dāng)傳感器檢測到故障電流或控制器接到分閘指令后，立即觸發(fā)斥力機構(gòu)驅(qū)動觸頭分離(t1)，真空滅弧室觸頭分離形成真空電弧，觸頭間產(chǎn)生弧壓。當(dāng)觸頭間隙形成足夠的開距或延遲一定的時間后(t2)，控制器向晶閘管組件F 發(fā)出導(dǎo)通信號，主回路電流i 開始向換流支路轉(zhuǎn)移， 換流電容C 的放電電流iC一部分可能會從二極管D 上流過， VI 支路電流iVI將逐漸減小直至過零熄弧(t3)。換流電流大于主回路電流部分將流過二極管支路(t3~t4)。當(dāng)iD過零D 截止后，主回路電流全部轉(zhuǎn)移到C-F-L 支路上(t4)，同時，斷路器兩端出現(xiàn)正向過電壓。當(dāng)換流電容反充電壓大于MOA 動作電壓后(t5)，電流向MOA 支路轉(zhuǎn)移，MOA 開始限壓吸能。隨著F 電流減小到零后截止關(guān)斷，短路電流全部轉(zhuǎn)移到MOA 上(t6)， 系統(tǒng)感抗中存儲的能量被MOA 吸收耗散(t6~t7)，最終電流減小到零被切斷，分?jǐn)噙^程結(jié)束(t7)，見圖2。
圖2 HDCVB 分?jǐn)噙^程示意圖
斥力真空觸頭機構(gòu)VI 上并聯(lián)二極管組件D 使分?jǐn)噙^程中恢復(fù)過電壓出現(xiàn)的時刻后移，為觸頭電流過零后動靜觸頭間介質(zhì)恢復(fù)創(chuàng)造了近似零電壓的恢復(fù)過程，增強了觸頭間隙后續(xù)承受恢復(fù)電壓的能力，提高了分?jǐn)嗫煽啃浴Ｔ陔姼蠰 兩端并聯(lián)續(xù)流二極管的目的是為了減小晶閘管組件通過浪涌電流后截止時的du/dt 和降低電容反充電壓幅值。基于強迫換流原理的HDCVB 通流能力強， 分?jǐn)嚯娏鞲撸曳謹(jǐn)鄷r間短，限流效果和工程適用性好。
5、結(jié)語
混合型中壓直流真空斷路器方案，原理簡單、分?jǐn)嗨俣瓤臁⒖煽啃愿撸梢詫崿F(xiàn)大容量中壓直流分?jǐn)啵诔饬υ淼恼婵沼|頭機構(gòu)可以實現(xiàn)額定電流通流和快速動作的功能;中壓脈沖功率組件均壓措施改善了串聯(lián)應(yīng)用的分壓特性，采用擴大門極和強觸發(fā)可有效提高浪涌通流能力， 光控觸發(fā)的方案實現(xiàn)了電氣隔離，節(jié)約了觸發(fā)電源;避雷器的能量等效性原則和參數(shù)設(shè)計方法等為中壓直流短路器的研制打下了堅實的基礎(chǔ)。斥力真空觸頭機構(gòu)連入換流回路的阻抗是影響換流效率的關(guān)鍵因素。實驗表明， 混合型中壓直流真空斷路器可以成功滿足艦船中壓直流電力系統(tǒng)負(fù)荷和保護分?jǐn)嗟囊蟆?/p>
