混合式高压直流断路器关键技术研究

祝友成

（国网湖北省电力有限公司超高压公司，湖北 武汉 430000）

0 引 言

高压直流输配电系统的传输效率高、传输容量大、传输距离长，具有极高的经济价值、社会价值与环境价值[1,2]。其关键技术之一为高压直流断路器（Direct Current Circuit Breaker，DCCB），断路器是保障高压直流输配电系统可靠运行、控制以及保护的基础[3,4]。断路器需承载直流线路正常运行时的电流和故障电流[5]。

高压直流输配电系统不存在电压、电流自然过零点，因此在断路器分闸时将存在电弧，且灭弧较为困难，导致断路器的动静触点发生融焊，无法分断故障电流，进而发生事故[6-8]。

目前，国内外对于高压DCCB 的研究可分为3 类，分别为机械式高压DCCB 的结构与设计方法、固态高压DCCB 的拓扑与设计方法以及混合式高压DCCB 的拓扑与设计方法[9-12]。

机械式高压DCCB 具有动作时间长，但是通断损耗低的特点[13]。固态高压DCCB 具有动作时间快，但是通断损耗高的特点[14]。混合式高压DCCB 具有机械式高压DCCB 的通断损耗低的优点，又具有固态高压DCCB 动作迅速的优点，具有较为广阔的应用前景。

相比于固态高压DCCB 的时间常数，机械式高压DCCB 的时间常数较大。即在合闸过程中，固态高压DCCB 先导通。此时，机械式高压DCCB 闭合时，可实现零电压导通。在分闸过程中，固态高压DCCB先导通，此时机械式高压DCCB 关断，可实现零电流关断。

本文主要分析混合式高压DCCB 的设计要点，即关键技术，包括电弧模型、电力电子器件串联均压、并联均流等设计要点，为设计混合式高压DCCB 提供技术指导。

1 机械式高压DCCB 关键技术

混合式高压DCCB 拓扑中包含机械式高压DCCB与固态断路器。对于机械式高压DCCB 而言，在分闸瞬间，动静触头间将产生电弧，电弧是制约该类型断路器电压等级、容量的主要因素。

电弧类型可分为2 类，分别为数学模型和黑盒模型。数学模型虽能够精准描述电弧从发生到熄灭的整个过程，但是求解数学模型十分烦琐、困难，求解时间长。黑盒模型则通过简化与抽象的方法，描述断路器中几个关键参数之间的关联，如电压与电流间的关系。

由能量守恒定律可知，电弧现象模型可表示为

式中：dq/dt为单位长度时，电弧中能量变化率；e·i为电弧单位长度时所输入的功率；Ploss为电弧单位长度时所释放能量。

电弧模型可表示为

式中：g为电弧的电导；τ为时间常数；u为电弧电压；uc为电弧电压常量。

通过式（1）与式（2）可知，电弧电压、电弧电导、电弧电压常数与时间常数之间的关系。对于高压直流输配电系统，此模型可准确描述电弧的外部特性，对于研制机械式高压DCCB 具有指导意义。

2 固态高压DCCB 关键技术

固态高压DCCB 主要由电力电子器件构成。然而高压直流输配电系统的容量较大，单个电力电子器件的额定电压、额定电流不能满足要求。因此，需采用电力电子器件串并联实现增加固态高压DCCB 的额定电压与额定电流。

由于电力电子器件制造时存在参数差异以及性质差异，其串并联时，将导致分压不均与分流不均问题。

2.1 串联分压不均原因

以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）为例，共有2 种工作过程，分别为静态过程与动态过程。IGBT 共有4 种工作状态，分别为关断过程、开通过程、导通过程以及阻断过程。

IGBT 的静态过程-导通过程中，其压降较低，各器件的压降不同时也可正常工作。而阻断过程中，IGBT 的漏电流、阻断阻抗分布不均，IGBT 器件的分压不均，将导致部分IGBT 两端的电压超过额定电压，进而损害器件，因此在阻断过程中需采用均压策略。

IGBT 的动态过程的影响因素较大，如输入电容、密勒电容等。此外IGBT 驱动信号的时序也可能导致IGBT 的开通瞬间与关断瞬间不一致，从而导致IGBT两端的耐压值不平衡。开通瞬间滞后、关断瞬间提前的IGBT 器件两端将出现电压尖峰，损坏IGBT 器件。

2.2 串联均压策略

IGBT 串联均压的前提是选择同一批次、参数一致的器件，驱动电路设计保持一致，固态断路器拓扑堆成。

对于静态过程均压，可通过并联缓冲电阻实现均压，且缓冲电阻可按照式（3）进行选取，即

式中：URM、IRM分别为IGBT 的峰值电压以及漏电流；KU为均压系数。

对于动态过程均压，可通过并联缓冲电路、电压钳位电路以及门极主动控制电路。其中并联缓冲电路如图1 所示，门极主动控制电路如图2 所示，电压钳位电路如图3 所示。

图1 缓冲电路拓扑

图2 门极控制电路

图3 钳位电路

图3 中：DVC 为电压上升率钳位电路；PC 为峰值钳位电路；TCC 为尾电流周期钳位电路。

2.3 并联不均流原因分析

IGBT 具有并联运行存在不均流问题的特点，IGBT 并联均流可分为静态并联均流过程与动态并联均流过程。

对于导通状态而言，受限于IGBT 的饱和导通压降不一致，饱和压降较小的IGBT 将承受较大的导通电流，导致器件损坏。

对于动态并联均流，主要影响因素为器件自身参数不一致、门极驱动电路不一致，如门极电感、门极电阻等参数不一致，将导致开通提前、关断滞后的IGBT 器件的瞬时电流较大。

2.4 并联均流策略

实现IGBT 并联均流同样需选择同一批次、参数一致的IGBT 器件。

IGBT 在静态过程中并联均流策略可通过串联均流电阻实现，该电阻需比IGBT 的通态等效电阻大。静态过程中并联均流策略如图4 所示。

图4 静态过程中并联均流策略

IGBT 在动态过程中的并联均流策略则通过改进门极驱动电路实现，如图5 所示。

图5 动态过程中并联均流策略

3 辅助回路关键技术

混合式DCCB 还包括辅助电路，如缓冲吸收电路与故障电流限流回路等。

在高压DCCB 关断、开通瞬间，由于存在电感与电容，可能导致di/dt过高，从而产生瞬时高压，损坏电力电子器件。该缓冲电路应能够吸收电感中的能量，使IGBT 工作在零电压、零电流的软开关状态，减少IGBT 的开通、关断损耗。电力电子器件的关断、开通动作迅速，线路电感中存储的能量可通过吸收电路进行吸收。

4 结 论

混合式高压DCCB 主要由机械式高压DCCB、固态高压DCCB、缓冲吸收回路3 个主要部分与一些辅助回路构成。本文针对这3 个主要部分分析研究了其关键设计技术。

对于机械式高压DCCB，其设计要点在于电弧，根据电弧特性，分析了电弧数学模型，描述了电弧的外部特性可知电弧时间、时间常数、电弧电压、电弧电流间的关系，进而为设计机械式高压DCCB 提供技术依据。

对于固态高压DCCB，其设计要点在于串联均压与并联均流措施，本文提出了门极控制电路、钳位电路等，可实现串联均压与并联均流。

对于缓冲吸收电路，则通过压敏电阻与ZnO实现。