大连理工大学董文亮等：基于电磁斥力机构的直流真空断路器模块

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大连理工大学电气工程学院的研究人员董文亮、郭兴宇等，在2018年第5期《电工技术学报》上撰文指出，基于换流技术的机械式高压直流断路器是目前110kV以上直流线路控制和保护断路器的解决方案之一，其研发对发展直流电力系统的意义重大。目前此类直流短路开断的技术瓶颈在于基础模块设计与各模块运动特性的调控。

该文提出一种基于换流技术的60 kV机械式直流真空断路器模块，该断路器模块由主开关、换流开关及换流回路三部分组成。主开关和换流开关均采用双断口串联形式，分别由4套联动的电磁斥力机构独立控制。

根据两种机构的不同参数，运用ANSOFT仿真软件对机构斥力驱动力进行仿真，并选取不同的驱动电路实测了各开关的运动特性，给出了各机构的储能电容参数，该直流真空断路器模块能够满足在4 ms内达到对60 kV/16 kA故障电流成功开断的条件，可作为110kV以上高压直流断路器的基础模块。

高压直流（High Voltage DC，HVDC）输电是构架远距离、高传输功率、窄线路走廊、高运行可靠性智能电网的组成部分。研究开发大容量远距离HVDC输电技术与装备是当前智能电网的重点研究内容。直流电网的电压电流等级的提高，对于提升直流断路器故障分断能力意义重大。

目前110 kV以上的直流断路器的研发集中在两种开断模式，即基于电力电子开关的混合式高压直流断路器和基于换流技术的机械式高压直流断路器[1,2]。对于高电压等级直流系统，两种模式都需要基础单元组成的模块串联开断，而后者还依赖于对各模块的机械运动特性的调控。

基于电磁斥力机构的真空开关结构简单、分闸速度快，与大功率电力电子器件相比，其通态损耗小、成本低，已经在电力系统故障限流、电能质量控制等诸多领域得到了广泛应用[3-9]。

作为直流真空断路器动作的执行部分，电磁斥力机构动作速度越快，在直流真空断路器分断故障电流时，断口间触头将越早达到安全开断距离，故障开断的可靠性就越高。因此将基于电磁斥力机构的真空开关作为机械式直流开断模块的主开关已经成为共识，而提高操动机构的运动特性是提高直流真空断路器开断能力的有效方法之一[10,11]。

针对直流真空断路器的设计，文献[12]对斥力机构和永磁机构进行了实验对比分析，得到了两种机构的性能参数的差异，结果表明斥力机构在始动时间、初始加速度、整体平均速度方面相比于永磁机构有很大优势。

文献[13]以126 kV模块化多断口直流真空断路器为研究对象，在连续过渡模型建模中考虑金属蒸汽与离子密度的影响，给出中频真空电弧介质恢复动态数学模型，得到了弧后电流、瞬态恢复电压与新阴极表面电场强度分布。文献[14]针对基于电磁斥力操动机构的强制过零（换流）型高压直流断路器及其拓扑结构提出控制要求，并在40.5 kV断路器单元样机上对其研究的控制单元的实用性进行了验证。

文献[15]设计了一种基于电磁斥力操动机构的快速混合式直流真空断路器，在2 ms内触头开距达到10 mm以上，并通过仿真和实验验证了该直流真空断路器良好的机械特性。

合理的基础模块设计是实现直流开断特性的保证，对于多模块串联来说，模块运动特性的调控是实现多模块系统成功开断的关键之一。为组成110 kV以上电压等级的高压直流真空断路器，本文提出一种基于电磁斥力机构的60 kV机械式直流真空断路器模块，模块中主开关和换流开关均采用双断口串联形式搭建而成，每个真空灭弧室的工作电压为30 kV。

采用4套联动的电磁斥力机构分别对每个真空灭弧室进行独立控制。该直流真空断路器模块的基本要求是要满足在4 ms内能够达到对60 kV/16 kA故障电流成功开断的条件，其应用目标是作为基础模块串联，组成110 kV或电压等级更高的直流真空断路器。

图2  60 kV直流真空断路器结构示意图

图11  60 kV直流断路器样机

结论

本文提出了一种基于换流开断的机械式60 kV直流真空断路器模块，由主开关、换流开关和换流回路三部分组成。主开关和换流开关均采用双断口串联形式，由4套联动的电磁斥力机构独立控制。主开关斥力分闸，永磁合闸保持；换流开关斥力合闸，永磁分闸。对于多模块串联来说，模块运动特性是实现多模块系统成功开断的关键之一。

运用ANSOFT软件对两种不同材料的斥力线盘间产生的斥力情况进行了仿真分析，结果表明，浇注式斥力线盘产生的斥力峰值高于铜排式斥力线盘。对浇注式斥力线盘初始间距与产生斥力峰值大小的影响进行了仿真，结果表明，随着初始间距的增加，产生的斥力峰值逐渐减小，因此在制作电磁斥力机构的过程中，应尽量缩小斥力线盘之间的初始间距。

本文采用的斥力线盘初始间距为1mm。根据不同参数的机构驱动电路，对各开关的运动特性进行了实测，并根据4ms内完成主开关分闸至6 mm安全开距，换流开关合闸接通换流回路的技术指标，确定了各开关的储能电容参数，主开关斥力分闸储能电容参数为30 mF/350 V，换流开关斥力合闸储能参数为20 mF/350 V。最后对60 kV直流真空断路器样机进行了介绍，并提出了110 kV双模块高压直流断路器拓扑。