淺析斷路器的畢業(yè)論文

　　隨著國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃的展開，在電力傳輸上具有低損耗、無需同步;光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等并網(wǎng);地區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)、地區(qū)孤島供電等方面比傳統(tǒng)配電系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢的中低壓柔性直流輸電系統(tǒng)將是配電網(wǎng)主要發(fā)展方向。推進中低壓柔性直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)發(fā)展技術(shù)難點之一就是具有快速開斷能力的直流斷路器�，F(xiàn)階段中低壓柔性直流輸電系統(tǒng)實現(xiàn)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(cè)用交流斷路器開斷兩種。用這兩種方法不但會使系統(tǒng)出現(xiàn)停運情況而且也會對并列運行的交流輸電系統(tǒng)造成嚴(yán)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(tǒng)(VSC-HVDC)的發(fā)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(tǒng)的線路阻抗與交流輸電系統(tǒng)相比，前者遠遠小于后者，因此直流輸電系統(tǒng)的一旦發(fā)生故障，其故障電流增長速度比交流系統(tǒng)的故障電流要快的多;此外，在開斷的過程中，在直流系統(tǒng)電感中存儲的能量，需要斷路器來吸收�，F(xiàn)階段研發(fā)出的直流斷路器主要分為：利用傳統(tǒng)機械開關(guān)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(tài)直流斷路器，以及將兩者相結(jié)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(tài)式的優(yōu)點相結(jié)合，具有導(dǎo)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(lǐng)域的主要研究方向。給出了傳統(tǒng)純機械式直流斷路器、使用電力電子開關(guān)的全固態(tài)直流斷路器以及兩者結(jié)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(jié)構(gòu)，并分析了各個類型斷路器存在的優(yōu)點以及缺點，通過Matlab/Simulink仿真實驗進行了相關(guān)的實驗驗證提出方案的可行性。

　　三種直流斷路器結(jié)構(gòu)

　　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(tǒng)中開斷小電流，通過提高直流電弧的電壓、增加限流電阻數(shù)量以等方法可以實現(xiàn)直流電弧的強迫熄滅。但在中高壓直流系統(tǒng)中，低壓直流系統(tǒng)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(xiàn)中高壓直流系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。但是，無論交流斷路器的操作機構(gòu)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(tǒng)要快的多的直流系統(tǒng)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(tài)直流斷路器因使用半控型或全控型電力電子開關(guān)(SCR，基于SCR研發(fā)的半控型斷路器具有常態(tài)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(yōu)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(jié)構(gòu)更加復(fù)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�；�于GTO研發(fā)的全控型斷路器優(yōu)點與基于SCR研發(fā)的半控型斷路器類似，且開斷速度比后者要高;但GTO的常態(tài)壓降要比SCR高，較高的門極驅(qū)動功率也需要復(fù)雜的驅(qū)動電路�；�于IGBT研發(fā)的全控型斷路器與基于GTO研發(fā)的全控型斷路器優(yōu)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(lián)的IGBT數(shù)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(tài)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(guān)斷原理是電流轉(zhuǎn)移法來實現(xiàn)直流系統(tǒng)的開斷，綜合了傳統(tǒng)純機械式靜態(tài)特性和全固態(tài)式動態(tài)特性。根據(jù)其不同的電流轉(zhuǎn)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(tài)開關(guān)的構(gòu)成多由GTO、IGBT和IGCT等構(gòu)成，其開斷原理為：當(dāng)機械開關(guān)斷開時產(chǎn)生的電弧電壓大于電力電子開關(guān)的導(dǎo)通電壓時，電力電子開關(guān)被觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)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(guān)器件的通態(tài)壓降，主電路中的大部分電流都向支路上轉(zhuǎn)移。最終使得主開關(guān)在很小的電流下進行分?jǐn)�，因此其開斷電流能力取決于固態(tài)開關(guān)所使用的電力電子器件。圖3給出了其拓撲結(jié)構(gòu)。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(yù)先充完電。斷路器分?jǐn)嚯娐窌r，打開高速機械開關(guān)，與此同時，觸發(fā)固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通。電容C給機械開關(guān)反向沖擊振蕩電流，該電流與機械開關(guān)的電弧電流相迭加產(chǎn)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(chǎn)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(dāng)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(zhuǎn)移。完成直流電路的分?jǐn)嗳蝿?wù)。圖4給出了其拓撲結(jié)構(gòu)。

　　現(xiàn)階段的電力電子開關(guān)的單管功率不高，多管串、并聯(lián)的控制電路復(fù)雜，存在一定的技術(shù)問題，且多管串、并聯(lián)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(tài)開關(guān)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(jié)構(gòu)如圖5所示。其在分?jǐn)喽搪冯娏鞯墓ぷ髟�理為：�?dāng)線路上發(fā)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(dāng)檢測電路識別出短路電流超過斷路器動作設(shè)定值后，即向機械開關(guān)斷開信號，向IGCT發(fā)出導(dǎo)通信號，機械開關(guān)動作，動靜觸頭之間產(chǎn)生電弧，當(dāng)電弧電壓達到IGCT的觸發(fā)電壓后，IGCT即導(dǎo)通，此時電弧電壓即被控制在IGCT的導(dǎo)通壓降，由于此時機械開關(guān)動靜觸頭間的電阻大于IGCT的內(nèi)阻，短路電流將從IGCT中流過。機械開關(guān)即在IGCT的導(dǎo)通壓降和極小電流下分?jǐn)唷．?dāng)機械開關(guān)完全分?jǐn)嗪蠹聪騃GCT出關(guān)斷信號，IGCT關(guān)斷后，緩沖吸收回路中的RT、CT即減緩關(guān)斷電壓的上升速度，保證IGCT不被損壞，短路電流被強迫轉(zhuǎn)移至MOV中消耗。分?jǐn)嗾�常電流與分?jǐn)喽搪冯娏髟�理相似，這里不做贅述。

　　仿真及試驗驗證

　　根據(jù)圖4所示的拓補結(jié)構(gòu)在Matlab/Simlink中建立仿真模型，仿真模型中參數(shù)設(shè)置如表1所示。仿真結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)發(fā)生短路后，系統(tǒng)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(dǎo)通，開始換流。由圖6可以看出系統(tǒng)電流在3.8ms時下降到0A，完成開斷故障系統(tǒng)的任務(wù)。

　　結(jié)束語

　　給出了傳統(tǒng)純機械式直流斷路器、使用電力電子開關(guān)的全固態(tài)直流斷路器以及兩者結(jié)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(jié)構(gòu)，并分析了各個類型斷路器存在的優(yōu)點以及缺點，得出了混合式直流斷路器具有傳統(tǒng)純機械式靜態(tài)特性和全固態(tài)式動態(tài)特性性的優(yōu)點，是現(xiàn)階段直流斷路器的主要研究對象。在現(xiàn)有的混合式直流斷路器研究的基礎(chǔ)上進行完善，通過使用新型電力電子開關(guān)和增加限流電路的方法提高了斷路器的性能，與現(xiàn)有的斷路器相比，具有以下優(yōu)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(guān)動靜觸頭產(chǎn)生的電弧小甚至沒有電弧產(chǎn)生，正常導(dǎo)通狀態(tài)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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