周宏宇,罗隆福,许加柱,董书大

(湖南大学电气与信息工程学院,长沙 410082)

目前,国内的城市轻轨和地铁牵引供电系统多采用直流供电方式。牵引变电所通过12脉波或24脉波整流器,将33 kV交流电转变为1500 V直流电,再通过直流断路器经直流电缆输送到直流牵引接触网。其中直流断路器在地铁牵引供电系统中起着重要的故障跳闸、保护牵引供电系统其它电力设备的关键设备。然而,地铁牵引供电系统中的大电流直流断路器普遍存在一个问题:故障跳闸时产生的强电弧严重影响直流断路器及断路器柜的使用寿命,严重时直流断路器经过1～2次的故障跳闸就被烧毁,需重新更换,从而造成系统运营成本增大,也会降低系统的运行安全性。

针对现有直流断路器存在的问题,本文在分析电弧数学模型的基础上,结合M atlab软件中的M ayr电弧模型,建立现有直流断路器的仿真模型,仿真研究现有传统直流断路器易烧毁的本质原因;并提出改进方案,建立相应的仿真模型,验证其工程可行性和原理正确性。

1 Mayr电弧的数学模型和仿真模型

1.1 M ayr电弧的数学模型

麦也耳(Mayr)电弧数学模型是目前公认实用价值较高的一种数学模型,通过该模型可定性分析电流过零期间电弧的动态特性,其数学表达式为

式中:uh为电弧电压;ih为电弧电流;τ为电弧时间常数,其物理意义是在电弧电流突然消失后,电弧电阻增加到e倍所需的时间;p s为电弧散热功率。

根据式(1),当τ和P s为某一定值时,即可求得电弧电流或电压随时间变化的趋势;但τ和P s实际上皆非常数,而是与电弧电流、电弧电阻、介质种类、气压等参数有关的函数,必须通过大量试验找出τ和P s随这些参数的变化规律后,才能进行较准确的计算。因此,目前国内外广泛采用M ay r模型进行电弧动态特性的定性分析和研究。

1.2 Mayr电弧的仿真模型

根据式(1)给出的M ayr描述的电弧数学模型,利用Matlab中的微分方程编辑器构建相应的电弧仿真模型,式(1)转变为

式中:x(1)为微分方程状态变量,即电弧电导的自然对数;u(1)为微分方程的第一个输入量,即电弧电压;u(2)为微分方程的第二个输入量,表示触头关合状态;y为DEE输出量,即电弧电流。

定值检测(H it Crossing):检测电弧电流的过零点。

阶跃信号:控制触头的分离。

由式(2)即可在Matlab软件中建立Mayr电弧的通过仿真模型,如图1所示。

图1 麦也尔电弧的仿真模型Fig.1 Mayr simulation modelofarc

2 传统直流断路器易烧损原因分析及仿真

2.1 传统直流断路器易烧损的原因分析

与交流电弧不同,直流电弧只能靠强制电流过零来熄弧。目前常用的措施为直流回路中使用电磁吹弧断路器。使电弧电压迅速提高,从而达到灭弧的目的。而对高压直流回路,必须相应地降低电压或创造人工电流零点来灭弧。地铁供电系统中的大电流直流断路器在接收到保护信号后,进行有载分闸,所以对直流断路器灭弧能力要求很高。

广州地铁某1段牵引供电系统接线图如图2所示,图2中进线断路器和馈线断路器均为直流断路器,如图中标示的201/202/211等。国内地铁已经多次出现由于大电流直流断路器的损坏导致地铁区段不能供电而停运的现状,产生了很大的经济损失和社会影响。

图2 地铁供电系统示意图Fig.2 Power supp ly system ofmetro

导致大电流直流断路器烧损的主要原因是断路器动作时电流非常大(近端短路时故障电流可达20000A),大电流在触头之间产生了极强电弧。电弧是在两极间产生强烈而持久的气体放电现象,是高温高导电率的游离气体,它不仅对触头有很大的破坏作用,而且使断开电路的时间延长。

2.2 仿真分析

图3是根据地铁供电系统建立的直流断路器工作特性仿真模型。电源采用1500 V直流电源,根据实际系统变压器容量等参数设置其内阻抗R=0.01Ω,L=20μH。其中直流断路器采用May r电弧模型代替是极端短路故障时的线路阻抗,电阻为0.008Ω,线路电感为0.1 mH。

图4给出在直流断路器动作过程中,直流断路器两触点间的电压和电流的波形图。电弧电压为图4(a)的Y轴和图4(b)的,电弧电流为图4(a)X轴和图4(c)中的。从仿真结果可看出,当短路故障发生时,故障电流非常大,达到约16500 A。在断路器断开瞬间,电弧电流I h下降,电弧电压上升。但由于电流太大,直流断路器的灭弧装置无法完全消弧,断路器触头间重新燃弧,增大,变小(图4(a)中的折线部分)。从仿真的结果可见,地铁短路故障时直流断路器烧损完全是因为电流过大,断路器无法满足灭弧要求而被损毁。

图3 传统直流断路器的仿真模型Fig.3 Simulation model of traditional DC breaker

图4 传统直流断路器重新燃弧时仿真结果Fig.4 Simulation result of traditional DC breaker

3 传统直流断路器改进方案及其仿真

3.1 工作原理与电路拓扑

针对传统直流断路器在熄弧方面存在的不足,本文提出一种改进型的直流断路器,该直流断路器包括一个串联在主回路中的直流断路器和图5虚线框内辅助电路部分。图中,由于发生短路时线路中存在电感,电容必须能吸收大部分电感中储存的能量,电容取值比较大,为10×10-2F,串联的电阻为电容的内阻,理想情况下可不予考虑。R4是放电电阻,取值为10×103Ω。辅助电路部分主要作用是吸收主回路中电感储存的部分能量,产生人工过零点,将切断直流大电流的问题转化为切断存在过零点的交变电流。该装置的控制系统利用DSP处理速度快的优点,结合神经网络理论,具有学习功能。这样,通过对直流断路器电流的采样,在通过直流断路器的电流过零点前一个触点动作时间断开辅助触头;此时电流相对小,直流断路器利用自然过零点灭弧,对直流断路器的灭弧能力要求大为降低,延长直流断路器的使用次数和寿命。

3.2 仿真分析

在图3所示传统直流断路器的仿真模型中接入改进型直流断路器的辅助电路部分,见图5。电弧模型参数不变,其工作过程为:初始状态主触头M ayc arcmodel闭合,辅助触头K 1、K2分断。控制部分接收到保护信号即发出指令闭合K 1,当电流转移到K 1支路时分断主触头,这样主触头分断电流很小,不会受到电弧伤害。由于K1支路上电容的存在,通过的电流将产生过零点,K 1可利用过零点分断,对灭弧功能的要求不高。辅助断路器K 2支路的作用在于K 1分断后给电容放电,保障安全。

图5 改进型直流断路器结构示意图Fig.5 Structure of improved DC breaker

对图5所示的电路进行仿真,结果如图6所示。由图6可知:直流断路器电流首先增大至16000A,随后断路器断开。断路器断开后,由于辅助装置的存在,故障电流快速转移到辅助装置的阻容支路中,断路器断开瞬间承受的电流相对较小,因此断路器触头间的电弧快速熄灭,Uh增加至1500 V以后稳定下来,I h快速降低到零。由于辅助装置中考虑了限压措施,断路器触头间的电流快速下降为零时,在触头两端没有出现过电压。

图6 辅助回路的电压和电流关系曲线和波形Fig.6 Simulation result of new type DC breaker

图7是断路器断开时主电路中的故障电流变化过程。可以看出,电流从最大值快速下降。借鉴相关文献对交流断路器动作时间的研究和先进检测技术的发展(参见文献[4]),完全可以在电流接近零时发出断路器动作指令,使断路器在电流过零点之前很短时间分断,只要采用一个要求很低的交流断路器作为辅助断路器,即可完全分断主回路。

图7 主回路故障电流Fig.7 W aveform of fault current

4 结论

(1)基于M ayr电弧的数学模型,建立了M ay r电弧仿真模型,为进一步研究电弧放电特性提供帮助。

(2)通过对传统直流断路器动作过程的仿真模拟,表明直流断路器两触点间的强电弧放电是直接导致直流断路器易烧毁的主要原因。

(3)提出一种改进型直流断路器的电路结构,并建立了仿真模型,仿真结果表明,该直流断路器能有效抑制电弧在直流断路器主触头上放电强度,并在极短时间内断开故障电流,保护线路上其他器件和直流断路器本体,延长大电流直流断路器的使用次数和寿命。

[1] Schavemaker P H,Der Sluis L Van.The arc model blockset[J].Pow er and Energy Systems,2002,25(5):644-648.

[2] 黄文梅,杨勇,雄桂林,等.系统仿真分析与设计——M ATLAB语言工程应用[M].长沙:国防科技大学出版社,2001.

[3] 吉峰(Ji Feng).有载分接开关直流波形测试及其判断(Judgment and test of DC w aveform of on-load tap-changer)[J].变压器(T ransformer),2007,44(1):55-57.

[4] 徐晓静,孙明灿,陈庆春(Xu Xiaojing,Sun M ingcan,Chen Qingchun).同步关合技术在无功补偿中的应用(Application of synchronous closing technology for Var compensation)[J].高压电器(H igh Vo ltage Apparatus),2007,43(5):333-335,339.

[5] 王广峰,孙玉坤,陈坤华(W ang Guangfeng,Sun Yukun,Chen Kunhua).地铁直流牵引供电系统中的DDL保护(DDL Protection in subw ay DC traction power supp ly system)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA),2007,19(1):59-62.

[6] 肖伟强(Xiao W eiqiang).广州地铁2号线1500V直流开关的控制保护(Control and p rotection of 1500V DC breaker for vehicles of Guangzhou metro line 2)[J].机车电传动(Elec tric D rive for Locomotives),2006,25(1):50-53.