张冠英，高 飞，羡一鸣，王 尧

(河北工业大学电气工程学院，天津 300130)

1 引言

近年来，直流微电网以其独有的优势得到了广泛的关注和重视，随着大功率电力电子技术的不断成熟，直流微电网系统在大容量、远距离输送方面的经济性、稳定性和灵活性等优势日益突出[1]。与交流系统不同，直流输电不存在自然过零点，在发生故障时必须采用特殊方法制造过零点。另一方面，由于直流短路电流上升快、峰值高，断路器必须在数毫秒的时间内完成分断任务，才能满足直流电力系统限流分断的保护需要[2]。因此，直流断路器在迅速可靠的切断故障电流方面存在着一定的难题。目前主流的机械式断路器分断时间一般要数十甚至几十毫秒，无法满足电力系统的需要[3]。而混合式直流断路器结合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能，可以同时满足断路器开断时间短、动作迅速、通态损耗小的要求[4]。

按照关断原理，混合型断路器可分为自然换流型和强迫换流型两种[5]。自然换流型断路器结构简单、控制方便，但是这种关断方案换流速度慢，难以满足限流和快速性要求，一般只应用于无特殊限流要求的系统，如荷兰Delft理工大学Polman[6]等人采用斥力开关和6组IGBT并联结构设计了一种额定电压为600V，分断电流6kA的自然换流型混合式直流断路器，大连理工大学黄金强[7]等人提出一种额定电压为400V，基于快速斥力机构和IGBTs开断单元并联的混合式直流断路器，整机分断能力在2ms之内。强迫换流型断路器基于强迫回路中电感电容的串并联谐振，利用其产生的谐振电流与主开关上的电流相抵消产生过零点。与自然换流型混合式直流断路器相比，该类型的断路器转移速度快、可靠性高，但一般的强迫换流型拓扑结构都需要额外的电容充电电路，使得断路器体积大、结构复杂，大大增加了成本。例如亚琛工业大学电力电子与电气传动研究所C.Meyer[8]等人提出的一种强迫换流混合式直流断路器拓扑，此拓扑结构中电容需额外的充电电路，电容的储能，拓扑的电容值与切断电流之间必须做到参数的高度一致，否则机械开关无法实现无弧的分断。

目前，众多高校研究所以及电气设备制造公司都在对能够快速无弧分断的直流断路器进行研究。若干新的混合直流断路器拓扑结构和技术方案被提出[9-11]。在此基础上，本文针对传统强迫换流式直流断路器需要给预充电电容增加额外的充电电路、机械开关无法准确快速熄弧分断的问题，提出了一种基于零电流开断的直流混合断路器拓扑，并详细介绍了断路器的工作原理和设计方法，同时在Matlab中建模进行仿真分析，分析结果表明该拓扑结构可以使机械开关无弧分断。之后针对不同外电路参数和转移支路参数进行了电流转移特性的仿真，着重分析了电路内部因素(IGBT支路参数、拓扑结构中的谐振电容C与电感L3、)和外部因素(不同故障电阻Rf、系统电流)对其分断(分断时间、分断电流)的影响，为接下来混合式直流断路器的结构设计及试验提供了一定的依据。

2 混合直流断路器拓扑和原理

2.1 拓扑结构

本文提出的优化设计后的直流断路器拓扑结构由电感L1、机械开关部分MCB、电感L2、预充电电容C、电感L3、半导体IGBT分支和避雷器MOV能量吸收分支组成。系统负载由RL表示，发生故障时系统电阻由Rf表示，其结构如图1所示。结构中MOV的作用有两项，一是当关断固态开关IGBT时限制瞬间产生的过电压以防止损坏器件，二是当关断IGBT时吸收在故障时系统中的短路能量。

图1 直流混合断路器拓扑图

2.2 工作原理

当电路正常工作时，机械开关MCB承载线路负载电流，此时电力电子单元IGBT处于触发导通状态，但由于机械开关导通电阻一般为微欧级远小于电力电子开关元件导通电阻(毫欧级)，此时电力电子支路基本无电流流过。因此，在正常情况下系统电流流过机械开关MCB，而IGBT支路、L3-C分支支路无电流通过。电容器C可通过系统电源充电，在电路拓扑中没有任何额外的充电单元，换流电容电压极性如图2所示。

图2 正常情况下电流路径图

以短路故障为例，当发生故障时，故障电流迅速上升，由于电感电流不能突变，因此在故障瞬间前后，流过电感L1与L2的电流不会突然变化。此时断路器通过预充电电容C提供瞬态故障电流，电容电流IC迅速上升而电感电流IL2保持恒定，流过开关中的电流迅速减小，即流过开关中的部分电流将转移流入IGBT支路。当电容器电流IC达到电感L2电流后，随着IC的持续上升开关支路的电流将反向全部流入到IGBT支路。之后，电容C通过开关、IGBT、故障等效电阻Rf和电感L3形成谐振，在此期间开关电流将周期性的改变方向，产生一系列的电流过零点。而在故障期间随着电流IRL增加，断路器会通过电流检测单元测量线路电流大小，通过控制单元计算线路电流大小及其上升率等参量，根据预定的脱扣时间限值要求发出脱扣命令，由脱扣器驱动机械开关MCB断开，并在振荡期间的电流过零点熄灭电弧。这一过程电流路径如图3所示。

图3 发生故障时电流路径图

当开关在电流过零点完全熄弧断开后，系统电流将全部转移至IGBT支路，此后电感L2通过故障电阻Rf和电容C、电感L3组成另一谐振电路衰减振荡，直到将电容电感中存储的能量衰减为零。在经过短暂的延迟后，将电力电子器件IGBT关闭，系统电流随之从半导体支路被转移至避雷器MOV支路，最终系统电流的电磁能量被避雷器所消耗，故障被成功切除，这一过程如图4所示。当故障被排查解决后，再次合闸开关，并给IGBT一正向导通信号，充电电容C会由系统电源在极短时间内完成充电，为下一次的开断做准备。

图4 开关断开后电流路径图

3 电路设计与分析

3.1 振荡条件的设计

由断路器的工作原理可知，在系统发生故障时，含有开关、电容C、电感L3的回路可以发生谐振产生电流过零点是断路器可以成功动作熄灭电弧的重要因素。在正常情况下，由于忽略了电感L1与L2的电阻，可得系统电流

(1)

假设在t时刻发生故障，此时系统阻值为Rf，通过计算二阶电路的零输入响应得电容电流IC表达式

IL3(t)=IC(t)=Ae-αtsin(ωdt)

(2)

(3)

(4)

R=Rf

(5)

L=L3

(6)

因此在故障期间产生振荡过程需满足条件

(7)

电流IC振幅必须大于正常情况下负载电流

Ae-αTd>IMCB

(8)

当同时满足不等式(7)与(8)时，在发生故障后能够产生一系列电流零点，若忽略故障电阻Rf，则：

(9)

由公式(9)可知振荡周期仅与L3和C的值有关，因此在满足振荡条件的基础上尽量选择小电容小电感对于断路器的快速关断是十分有利的，但也必须满足公式(8)的振幅要求。根据以上推导可大致选择出合适的电感与电容。

电感L1的作用相当于一个电流限制器，也是为了限制故障电流的突变，因此在选择电感值时可以选择相对较大的电感。对于电感L2，还要考虑到当断开机械开关后与电容C、电感L3、电阻Rf组成的谐振电路。忽略电阻Rf可得到衰减振荡周期：

(10)

因此，为了使开断故障电流后电容电感中储存的能量被快速消耗，在满足所有条件的情况下电感L2的值应尽可能地小。综上所述可初步得到拓扑结构中所有电容与电感的量值，之后将所有参数代入仿真中得到进一步验证。

4 仿真验证与分析

4.1 直流开断仿真验证

为了验证提出的混合直流断路器的可行性，基于Matlab/Simulink平台搭建了混合直流断路器的模型。本文以直流系统接地短路故障为例，仿真参数见表1。

表1 仿真系统相关参数

根据表1中的参数进行仿真，仿真时假设系统在t1=1ms时发生接地短路故障，机械开关延时0.5ms开始动作触点分离，在t4=3ms时关断IGBT的触发信号，得到混合断路器各元件的电流仿真波形如图5所示。

图5 直流混合断路器仿真结果

从图5可以看出，断路器的动作分为两个阶段。第一阶段为故障电流转移至IGBT支路的过程。仿真模拟在t1=1ms时发生短路故障，在故障瞬间前后，电感L2两端电流保持不变并且是恒定的，如图5所示。电容C提供故障电流并快速上升，流经开关的电流迅速减小降为零(约4μs)并周期振荡，在t2约为2ms时电弧熄灭，开关完全断开，电流转移至IGBT支路。

第二阶段为关断IGBT，短路电流转移到避雷器回路并消耗下降为零的过程。经过短暂延时在t3=3ms关闭IGBT的触发信号，使得电流转移到避雷器支路，由MOV开始在直流系统中传导和吸收储存的能量，并在t4约4ms时将电流消耗为零。电容C、电感L2、L3组成的谐振回路在t5=0.6s时将储存在其中的能量衰减完，其部分振荡衰减过程如图6所示。

图6 IL振荡衰减波形

在t5=0.6s时假设短路故障被排除，闭合开关，IGBT再次触发导通，经过约0.4s电容C就可以被充满电，系统恢复正常运行，为下一次的开断做准备，这一过程如图7所示。

图7 电压UC波形

通过对电路的分析及仿真可知影响电流转移的因素主要分为两大类即外部因素和内部因素，外部因素指外电路参数对电流转移的影响，例如故障类型，外电路线路参数等；内部因素是指混合开关转移支路的内部参数对电流转移的影响，包括转移支路电阻和线路电感分量等。接下来本文将针对不同情况进行仿真，分析其电流转移特性。

4.2 外部因素

4.2.1 不同故障电阻Rf下的开关动作情况

为研究断路器在不同故障情况下电流由机械开关支路转移到固态开关阶段的开断情况，在不改变初始参数的情况下，通过改变故障电阻Rf的大小测试模拟开关的动作情况，仿真得到的开关支路电流波形如图8所示。

图8 不同Rf下IMCB波形

从图8可以看出混合断路器在故障条件下运行良好。但随着故障电阻的增大，在同样的时间间隔内开关电流过零点数将逐渐减少，这对于机械开关的快速动作提出了一定的要求。若机械开关动作延迟过高，对于某些故障，从电流分断时间角度来说可能无法在电流过零点前熄灭电弧，即断路器不能正常动作。因此必须采取措施，通过改变电路的某些参数来确保断路器可以可靠地动作。

4.2.2 系统电流对电流转移的影响

为了对断路器分断电流的能力有一个初步的了解，在其它参数不变的情况下，通过改变线路电阻值分别得到200A、100A、80A、40A的系统电流在短路情况下的电流转移波形如图9所示。

图9 不同大小系统电流在发生短路时的IMCB

从图9中可以看出，对于系统在不同负载情况下发生短路时，负载电流越大，针对同一种断路器，熄灭电弧的难度就越大。这是因为在电容C容量一定的情况下，其在发生故障时提供的瞬态电流是定值，而随着负载电流的增大流过电感L2两端的电流也会增大，这就使得在发生振荡时制造的过零点个数会随着负载电流增大而减小甚至发生无过零点的情况。因此，要提高断路器分断电流的水平，就需要提高电容的容量C，但这样会使得系统的稳定性受到一定影响，所以对应于不同的场合需要在考虑一定裕量的情况下选择最合适的电容容量，并考虑调节其它参数改善断路器的开断能力。

4.3 内部因素

4.3.1 IGBT支路参数对电流转移的影响

根据之前的理论分析，发生谐振时，开关电流的振荡周期与电容C、电感L3有关。而在实际情况中还需考虑到IGBT的转移支路线路阻抗，转移支路电阻的大小主要取决于导通后IGBT的内阻。在模拟仿真时，不改变其它参数的情况下假设IGBT的导通内阻从100～1000mΩ进行开断电流仿真，得到电流转移特性仿真曲线如图10所示。

图10 不同RIGBT下IMCB波形

从图10中可以看出IGBT导通内阻的增大会使振荡时电流的幅值减小、电流过零点数目减少，但振荡周期基本保持不变。对于这种情况，同样可能由于机械开关的延迟太高，而造成断路器在分断时间上因错过电流过零点拒动作。分析电路可知这是由于转移支路电阻限制了转移电流的大小或者转移电流上升的快慢，从而影响了转移完成的成功率。因此在选择IGBT的型号时因尽量选择内阻小的类型，这样会有助于提高断路器的开断性能。

4.3.2 电容C与电感L3对电流转移的影响

由上述的理论分析可知，断路器的分断时间与开关电流的振荡周期有关系，周期增大，所用时间也会相应变长。在系统发生谐振时，开关电流的振荡周期与电容C、电感L3有关。因此在不改变初始其它参数的情况下，通过改变L3-C支路参数进行仿真得到电流仿真波形如图11所示：

图11 不同L3-C参数下IMCB

如图11所示，可以看出当L3-C的乘积为定值时，发生故障时的电流振荡周期基本保持不变，而电感L3或C的增大都会使得振荡周期变大，这与之前分析得出的结论公式(9)一致。由此结论可知，在机械开关动作时间一定的情况下，若想提高断路器分断时间，可以通过减小电感L3或者C的值来实现。此外由图11还可以发现电感L3与电容值C的值发生变化时对振荡电流的幅值都会有影响，且电感L3的增大会使幅值变小，电容值C变大则会使电流幅值增大。若电容C与电感L3的值发生相同数量级的变化其对振荡电流幅值的变化基本是一样的。这也验证了公式(3)的正确性。因此为了保持断路器的可靠性、速动性，可以在要求动作范围内选择小的电感L3，对于电容器C则保持不变或者减小其容量以保持结构更加稳定。

5 结论

本文提出的直流断路器不仅能够迅速切断故障电流熄灭电弧，并且结构中的电容不需要额外的充电结构供电，在进行了一次有效的操作并复位后，系统可以在极短的时间内给电容充满电，大大降低了拓扑结构的复杂程度，并在一定程度上减少了能源的浪费。在理论分析的基础上，进行了Matlab/Simulink建模，并对其进行接地短路仿真，仿真结果验证了其可行性。之后又针对断路器的电流转移特性进行了仿真分析，得到了一系列影响其开断故障电流的结论，为后续直流断路器的搭建以及试验提供了基础。