三阶段电流转移混合型无弧直流断路器
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
辽宁工程技术大学电气与控制工程学院的研究人员张国军、宋飞凡、李绍明、代国印，在2017年第11期《电工技术学报》上撰文，针对高压直流电路存在开断困难的问题,提出了一种无弧直流断路器的拓扑结构。
该拓扑结构采用三阶段的电流转移方案,解决了基于传统强迫关断原理的混合型断路器开断时,高速机械开关在打开瞬间有较大的反向恢复电压,需要给预充电电容另加充电电源的问题。通过等效数学模型对工作阶段的临界时刻进行数学计算以及对其推导的正确性进行仿真分析。
分析结果表明，采用所提出的拓扑结构不但可以使机械开关无弧分断，而且分断速度较快。
随着风力发电、光伏发电等可再生能源的蓬勃发展，直流输电系统、直流配电网及其相关技术正日益受到更多研究人员的关注，从系统到设备方面的研究都逐渐成为电力行业研究的热点。
从直流断路器发展历程来看，传统机械式直流断路器在高压大电流场合的应用需要进行复杂的结构设计才能实现高电压大电流的分断；固态直流断路器可以频繁开断，但存在容易过电压过电流、器件损耗高、冷却系统笨重以及成本较高等问题。
目前高压直流断路器发展的一个重要方向是混合型直流断路器，它结合了机械式断路器与固态断路器各自的优点，具有通态损耗小、开断快速可控、无弧、开关寿命长、可靠性高、无需专用冷却装置等优点。
混合型断路器一般可分为自然换流型和强迫换流型，目前国内外学者和机构都是以这两种方式为基础，对混合型高压直流断路器的拓扑结构进行研究改进。
文献［12］提出一种并联一个续流二极管的真空直流限流断路器拓扑结构，该结构可有效解决基于强迫关断原理的混合型断路器开断时高速机械开关在打开瞬间产生较大的反向恢复电压，致使机械开关两端二次燃弧的问题，但该拓扑需要附加充电电源给预充电电容充电，这样不仅增加了系统成本，而且断路器的体积也相应增大；
文献［13］提出利用功率开关管IGBT来提高断路器的开断速度并且可以频繁开关，但单个的IGBT的电压应力较低，且通态状况下电路中的IGBT损耗较大；
文献［14］提出的两阶段电流转移的新型直流断路器能够自身给预充电电容充电，不需要另加充电电源，但基于强迫关断原理的混合型断路器在高速机械开关打开瞬间仍会产生较大的反向恢复电压，该电压值达到一定等级便会击穿触头两端，产生二次电弧。
基于上述分析，本文针对传统强迫换流混合型直流断路器需要给预充电电容另加充电电源、高速机械开关在打开瞬间存在较大的反向恢复电压的问题，提出一种三阶段电流转移混合型无弧直流断路器，通过两次强迫换流和一次自然换流实现机械开关的无弧打开，有效提高断路器的分断速度。
图1 无弧直流断路器拓扑结构
结论
本文提出了一种三阶段电流转移混合型无弧直流断路器拓扑结构，可用于直流电网中。根据断路器各阶段的工作原理图，对每个阶段的临界时刻进行数学分析，并通过Matlab/Simulink建立的仿真模型得到三个阶段的仿真波形，得到如下结论：
1）在高速机械开关反向并联了续流二极管，使得传统强迫换流原理的混合型断路器机械开关电流过零以后两触头间的距离有足够的零电压拉大时间从而触头可以无弧打开。同时，触头两端打开以后没有产生较大的反向恢复电压，避免触头间二次燃弧。
2）经过三个阶段电流转移，断路器具有给自身预充电电容充电的能力，在一定程度上减少了能源的浪费。
3）通过仿真波形可以看出，该拓扑结构分断能力强，分断的速度较快。针对断路器模型进行了Matlab/Simulink仿真，采用10kV/3kA的直流电源并对其进行接地短路。仿真结果与数学分析结果一致，说明所提断路器拓扑结构方案有效、可行。根据现行高速机械开关以及各元器件的参数，调节拓扑结构中的电感、电容参数来满足现实应用需要。