李 博，彭振东，沙新乐，杨晨光



混合直流断路器自然换流过程中弧压的测量及建模

李 博，彭振东，沙新乐，杨晨光

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

混合式断路器的电流转移主要有自然换流和强迫换流两种方式，其中自然换流是在机械开关斥力机构驱动触头分闸过程中产生电弧电压的作用下迫使故障电流由机械开关向半导体开关转移的过程，该阶段电弧电压的大小及变化过程对转移时间有着至关重要的影响。本文通过实验精确测量12 kA电流等级下真空电弧电压的大小及变化规律，并利用PSCAD/EMTDC 建立电弧电压数学模型，最后将该电流等级下换流时间的仿真计算和实验实测结果进行对比，验证了真空电弧电压模型的可靠性与正确性。

混合式断路器 自然换流 电弧电压 转移时间

0 引言

当今直流配电系统广泛受到关注，作为电力系统中核心保护设备，中压直流断路器也成为人们的研究热点之一。不同于交流背景可在自然过零点关断，直流领域下的断路器需要人工过零点才能完成可靠分断。最常见的方法主要有利用机械开关分断过程产生的电弧电压迫使电流向半导体器件转移的自然换流和利用高频反脉冲支路进行电流转移的强迫换流，本文着重分析了自然换流真空电弧电压的变化规律及对电流转移时间的影响。

混合式断路器结合机械开关静态通流损耗低和固态器件动态动作快速两种优势成为当下中压直流系统保护设备的首选[1,2]。短路故障发生时，系统电流以高变化率急剧上升，为了快速切断故障电流，保护系统设备不受损害，需要保护设备动作可靠且迅速，因此需要尽量缩短自然换流过程中电流转移时间。

1 真空弧压测量原理

电力系统发生短路故障时，在自然换流过程中，系统电流以一定变化率上升。本实验通过LC脉冲放电回路模拟系统故障电流。为了研究混合式断路器真空开关电流向半导体开关转移过程，需要对该阶段电弧电压的特性进行分析。具体电弧电压测量原理图如图1所示，其中P为脉冲放电回路储能电容，P为脉冲放电回路调波电感（包括回路线路电感），D1为整流二极管，FV为真空触发控制开关，VB为快速真空机械开关，V为真空开关VB支路杂散电感。

本文支持单值、模糊单值、区间值三种QoS数值表达方式。如，响应时间为单值属性；安全性描述为一个集合{高，中，低}对应的数值描述为{3,2,1}，为模糊单值属性；价格区间100元以内，为区间型属性。本文将数值进行统一划归成精确型单值数据来表示。

图1 真空电弧电压测量电路

实验步骤具体如下[3]：

4.药物浓度检测：特殊人群如儿童、妊娠妇女及肾功能不全患者等用药在条件允许情况下可进行治疗药物浓度监测（TDM）。

满足电流成功从VB转移至T的条件是VB支路电流能够过零，即V＜0：

基础护理包括饮食护理,环境护理等。饮食护理,护理人员应为患者制定健康饮食计划,告知患者及其家属按合理膳食,饮食计划多吃易消化食物,多食用流质食物,重视营养素的摄入量,不可通过口服的病人应该给予鼻胃管小量持续注射营养物。生活环境护理,定期帮助病人擦洗身体,保持皮肤清洁;定期清洁和更换病人的床单,保持床单清洁;定期帮助患者翻身并预防褥疮感染;定期口腔护理患者保持口腔清洁;保持房间清洁和通风良好。

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真空电弧电压拟合曲线分段函数表达式为：

由于真空机械开关VB支路杂散电感的存在，在脉冲放电回路电流变化的情况下会在VB上产生一定的感应电动势，为了精确测量真空电弧电压的大小，必须排除感应电动势的影响。因此测量VB分闸和合闸两种状态下的电压，两种之差即为真空电弧电压，表达式如下式所示：

2 真空电弧电压建模

基于上述电弧电压测量原理，脉冲放电回路储能电容P取值7.2 mF，调波电感P（包括线路电感）取值65 μH，预充电电压取1200 V可得预期峰值12 kA的脉冲电流，测得真空电弧电压随放电回路电流的变化趋势如下图2所示，由于VB在脉冲电流峰值分闸，在后半波过程中，脉冲电流逐渐减小，感应电动势为负值，因此实际真空电弧电压大于测量值V1。

图2 真空电弧电压随电流变化趋势

通过PSCAD/EMTDC仿真软件建立上述电弧电压表达式的数学模型及曲线分别如图4和图5所示，弧压持续时间约0.3 ms，峰值为28 V。

3）继续给储能电容预充至相同电压，控制真空触发开关FV导通形成脉冲放电，保持真空机械开关VB合闸状态，测量VB两端电压V2。

本实验真空弧室选择横向磁场触头结构，触头选用CuCr50材料，根据真空电弧理论，真空电弧电压主要由近极压降和弧柱压降构成。近极压降与触头材料有关，而弧柱压降与区域内的等离子体密度有关。当触头开始动作时，电弧电压以近似阶跃形式上升至24 V左右的近极压降。随后，随着触头开距增大为等离子体形成阶段，触头间真空区域开始燃弧，从真空电弧电压变化趋势来看，此过程弧压以近似直线趋势上升。由于本实验产生的电流大于10 kA（大电流电弧），电弧电阻表现为正的伏安特性[4,5]。当真空机械开关中电流逐渐减小时，等离子体浓度开始减小并考虑一定的冷却效应，电弧逐渐熄灭，弧压开始急剧减小。以10 kA为界限，可将12 kA放电电流等级下的真空电弧电压分别拟合为区间在[0，10 kA]随电流变化的曲线以及区间在（10 kA，12 kA]随时间变化的曲线，真空电弧电压分段拟合曲线如图3所示。

3 仿真与实验验证分析

转移过程中真空机械开关VB支路及晶闸管T支路的电流表达式为：

图3 真空电弧电压实测及拟合曲线

图4 真空电弧电压PSCAD数学模型

图5 真空电弧电压建模曲线

图6 自然换流实验电路图

转移过程等效电路如图7所示，其中0为放电回路电流，由于电流转移过程极快，假设在换流阶段0为恒定值。V，V分别为真空机械开关支路等效电阻和杂散电感；T，T分别为晶闸管T支路的通态电阻和杂散电感；arc为真空开关电弧电压；T为晶闸管T通态压降。

图7 转移过程等效原理图

根据KCL，KVL定理，电流转移回路方程为：

自然换流过程实验电路原理如下图6所示，图中转移用晶闸管T选用台基KKM4000-48单管，D2为反并二极管，用于保障晶闸管反向过电压而不被损坏。脉冲放电回路线路电阻忽略不计，当脉冲放电回路放电电流上升至峰值时，驱动真空机械开关VB分闸，经过一段时间触发晶闸管T导通，在电弧电压的作用下放电电流开始由VB向T转移。

1）首先给储能电容P预充至一定电压，由于回路参数已确定，根据不同电流等级可确定预充电压大小。

arc＞0T+T(5)

因此真空电弧电压必须大于晶闸管支路压降才能保障电流成功转移。另外，在满足电流能够成功转移的前提条件下，转移时间表达式为：

决策链包括规则制定和资源分配两个方面，二者主要涉及政治价值。决策链是官僚系统运行链的前段，需注重代表性、回应性、公平公正、公开透明等原则，保持政治价值理性。规则制定是指中高层领导干部制定的组织战略、改革方案、执行细则等一系列指导性规则。在规则制定过程中要与党和国家的意志和原则保持一致，保证政策或制度的代表性和回应性，保护公民权益不受侵害。资源分配是指决策过程中为保障制度规则顺利实施而将权力、资金、人员等相关资源分配给政策执行主体。资源分配应秉承公平正义和公开透明原则，一旦出现资源分配过程中的权力寻租、资源配置畸形等不合理现象，必须引起高度重视，深究问题线索，消除腐败苗头。

分析上述表达式可知，实际电流转移时间主要与arc、T、V和T有关，T和V的大小则影响甚微[3,6]。因此，增大真空电弧电压arc并减小真空机械开关VB支路杂散电感V、晶闸管T支路杂散电感T以及晶闸管通态压降T有助于减小电流转移时间，当故障电流转移过慢时，会影响真空开关绝缘介质的恢复进程。因此，优化支路杂散参数及研究真空电弧电压在转移过程中的变化有着重要意义。

图6对应的各器件参数如表1所示，在PSCAD/EMTDC软件中搭建如图4所示电路并赋予下述参数值，其中真空开关VB及晶闸管T的等效电阻和杂散电感通过ANSYS/Q3D计算得出，电流转移过程如图8所示。

表1 仿真参数

图8 电流转移过程仿真波形

对比仿真与实验实测电流转移时间，结果如下图9所示，考虑实际实验各支路杂散参数应大于仿真数值，实测转移时间略大于仿真值，但差值在可接受范围内，验证了真空电弧电压数学模型及转移过程仿真结果的正确性。

4 总结

1）真空电弧电压的真实值应为真空机械开关分闸状态下两端电压和未分闸状态下两端电压（杂散电感引起的感应电动势）之差。实际电流转移时，真空机械开关支路电流逐渐减小，感应电动势为负值，所以弧压应大于真空机械开关未分闸状态下两端电压值。

图9 仿真电流转移时间与实测电流转移时间

2）真空机械开关触头开始动作时，首先是等离子体形成阶段，真空弧压阶跃上升至24 V左右的近极压降，随后随着电弧燃烧，弧压开始线性上升，此阶段可将弧压拟合成随时间变化的曲线；然后电弧电流开始减小，电弧等离子体开始冷却，电弧逐渐熄灭，弧压急剧减小，此阶段可将弧压拟合成随电弧电流变化的曲线。

3）解析自然换流过程转移时间数学表达式，真空电弧电压大小及变化规律对转移时间大小有着显著影响，通过PSCAD仿真软件对真空弧压进行数学建模并计算转移时间，仿真和实验结果较为吻合。

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Measurement and Modeling of Vacuum Arc Voltage in the Natural-commutate of Hybrid DC Circuit Breaker

Li Bo, Peng Zhendong, Sha Xinle, Yang Chenguang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM721

A

1003-4862（2019）02-045-04

2018-12-26

李博（1991-），男，助理工程师。研究方向：中压直流断路器。E-mail: 429595691@qq.com