混合型限流及开断技术 _生活百科

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混合型限流及开断技术【混合型限流及开断技术】混合型限流及开断技术是将高速机械开关、固态开关、快速熔断器、超导限流器、液态金属限流器等几种技术有机结合的一种新型限流及开断技术，通常具有几种技术的优点，克服了它们单独套用时的缺点，因此具有广阔的套用前景。详细介绍了混合型限流断路器、混合型限流熔断器、混合型超导限流器和混合型液态金属限流器的工作原理及其发展现状，对小同的拓扑方案进行了对比分析，总结了各类混合型限流及开断技术各自的优缺点，归纳了未来混合型限流及开断技术需要进一步研究的内容和发展方向。
基本介绍中文名：混合型限流及开断技术
外文名：Hybrid current limiting and breaking technology
学科：电气工程
领域：能源利用
特点：具有快速限流分段特性
分类：自然换流、强迫换流、联合型
背景随着电网中的短路电流水平日益提高，短路电流峰值可达到100 kA以上，且短路电流上升速率di/dt极高，传统电力系统保护设备(如断路器和熔断器)的极限分断能力不足，且动作时间较长，难以满足短路故障发生时快速限流分断的要求，函待开展新型限流及开断技术的研究。国内外已开展了多种原理的新型限流及开断技术研究，例如高速机械断路器技术、固态开关技术、新型快速熔断器技术、超导限流技术、混合型限流技术等。其中，混合型限流及开断技术是将几种技术有机结合的一种新型限流及开断技术，正常工作时额定电流从电阻为微欧量级的支路上流过，故障时通过并联支路来快速分断短路电流，因此其具有几种技术的优点，克服了它们单独套用时通态损耗大、分断速度慢、分断能力弱等缺点，具有广阔的套用前景。国内外针对混合型限流及开断技术开展了大量的设计、仿真、试验等工作，并已开发出多种成熟产品套用于实际电力系统保护中，本文将对主要的混合型限流及开断技术，即混合型限流断路器、混合型限流熔断器、混合型超导限流器和混合型液态金属限流器等进行分析。混合型限流断路器混合型限流断路器按分断原理不同可分为自然换流型、强迫换流型、联合型3种，如右图所示。

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3种混合型限流断路器原理图3种混合型限流断路器在正常工作时的电流都是从机械开关上流过，主要区别在于电流分断时的工作方式不同。混合型限流断路器可用于关键节点的电路通断和保护，如发电机出口、电网跨接线等处，优点在于通流能力强、可重複使用。下面对3种混合型限流断路器分别进行介绍。自然换流型自然换流型限流断路器分断电流时，首先给右图(a)中机械开关分断信号，并且给固态开关发出导通信号，当机械开关触头分离产生的弧压超过固态开关导通压降后，其上的电流会被快速转换至固态开关支路上，然后由固态开关对电流进行快速分断。美国先进电力系统中心((cAPs)和瑞士联邦技术学会联合研製了12 kV/2 kA中压直流系统用混合型限流断路器。该限流断路器由高速转换开关、桥式固态电路、高速分断开关, PTC电阻和负荷开关组成。仿真表明该断路器能将预期20 kA短路电流峰值限制到10 kA 。由于单个GTO的耐压为4.5 kV，需要几个SEM单元串联来承受系统电压，均压技术是必须解决的关键技术，同时过于複杂的固态开关支路还增加了线路阻抗，给快速换流带来困难，因此均压和换流是该型装置在中压系统套用中的难点问题。瑞士ABB採用超高速斥力开关和IGCT并联研製了直流1.5 kV/4 kA混合型限流断路器，其斥力开关的动作延时小于300us,样机採用2个IGCT并联的桥式电路方案分断了5 kA的电流。荷兰Delft大学採用斥力开关和6组IGBT并联设计了直流600 V/6 kA混合型断路器，该断路器也只完成了额定6 kA电流分断，并无短路限流的要求。由于以上2种限流断路器的固态开关都採用了多个IGCT或IGBT并联，器件的均流问题使得这2种方案都难以开断几倍于额定电流的短路电流。日本三菱电气公司採用高速斥力开关和双向晶闸管并联研製出交流15 kV/600 A混合型断路器，该断路器利用交流电的自然过零点，使得晶闸管截止导通实现了12.5 kA电流的分断，由于晶闸管不是强迫关断的而是电流自然过零关断的，因此该断路器不能限制短路电流，只能承受短路电流并等待交流电流自然过零分断。目前我国在该领域也开展了大量研究，东南大学针对交流4 kA/400 V低压场合设计了基于IGBT的混合型自动转换开关，对其进行了理论分析、仿真和试验。清华大学也开展了基于快速真空开关和GTO的混合型限流断路器研究工作，对换流过程的影响因素进行了分析和样机的小电流分断试验。浙江大学也设计了机械开关和IGBT阀组并联的直流限流断路器方案，对参数设计原则及複合开关的配置方法进行了详细的推导，并对其正确性进行仿真验证。海军工程大学设计直流限流断路器方案，利用了晶闸管可短时承受大过载能力的特性，採用快速晶闸管强迫关断技术实现了在短路电流上升段快速开断电流，克服了以往採用多个全控电力电子器件并联的混合型限流断路器分断高di/dt短路电流存在的均流和关断特性不一致难题。综上，当固态开关中採用无自关断能力的晶闸管器件(无强迫关断电路)时，则只能用于有电流过零点的交流系统的电流开断，并无限流能力;如果晶闸管加装了强迫关断电路或採用具有自关断能力的GTO, IGBT, IGCT等器件时，则可用于交流或直流系统限流开断。强迫换流型强迫换流型根据其分断电流时的工作原理不同又可分为2类:1)一种是首先给机械开关发分断信号，当机械开关触头开始分离后再给脉冲放电电路导通信号，放电电流会在机械开关上形成人工电流过零点，当机械开关电流过零时整个装置完成电流分断过程；2)另一种是在给机械开关发分断信号后，在机械开关触头开始分离前给脉冲放电电路导通信号，放电电流会在机械开关上形成人工电流过零点，通过控制脉冲放电开始的时刻来使得人工过零点和机械开关触头分离时刻刚好重合，即在零电流时打开机械开关的触头。1998年日本三菱电气公司Kishida等人提出了採用真空快速开关的强迫换流型限流断路器方案，进行了交流200 V ,1.2 kA电流分断试验，快速开关的触头分离动作延时为0.4 ms在触头开始分离后不同时刻((0.1, 0.3, 0.6 ms)给放电迴路发导通信号，放电电流在快速开关上形成电流零点使其分断，该分断方法属于强迫换流型分断的第一种工作原理。试验中发现当快速开关上的电流在强迫过零点处的下降率超过一定值时，装置不能完成电流分断，文中并未给出其原因分析，但指出与分断电流的大小无关，该问题是此型装置需要解决的一个难点问题。另外，为了在2个方向都能给真空开关提供人工电流过零点，因此并联了2套脉冲电容放电迴路和电容充电迴路，这极大地加大了系统的複杂性，这也是它的缺点之一。海军工程大学庄劲武等设计了一种基于强迫换流原理的新型混合型直流真空限流断路器。通过在高速真空开关两端并联反向续流二极体，使真空灭弧室在电弧电流强迫过零后因二极体的续流作用得到了近似零电压的介质恢复过程。设计方案将过电压的载入时刻后移，最佳化了真空灭弧室电流过零后的介质强度恢复环境，使真空开关得以在小间隙下分断高上升率的直流短路电流。设计了直流1 kV/400 A限流断路器样机并进行短路分断试验，该断路器可将初始上升率为5 A/}s的故障电流限流至2.5 kA以下。对比以上各种自然换流型和强迫换流型限流断路器方案，可以归纳出自然换流型相比于强迫换流型的优点主要有:1）限流断路器带电合闸时，固态开关可以先于机械开关导通，因此机械开关动触头的合闸弹跳不会在触头上产生拉弧。2)不需要电容和电感组成的放电迴路。而自然换流型的缺点有： 1）如果要分断高di/dt的短路电流，则固态开关支路电感需要儘量低，固态开关和机械开关的安装位置必须非常靠近，否则机械开关向固态开关换流时间将较长。2)需要多个大功率GTO，IGBT或IGCT等器件串并联以满足高压大短路电流分断要求，器件的动态均压均流有难度，且总价格较高。而自然换流型的缺点恰是强迫换流型的优点，此外，自然换流型还可以通过延长GTO, IGBT或IGCT的导通时间，来保证过电压出现时机械开关触头间介质不会被重击穿。因此，为了将自然换流型和强迫换流型优势更好地发挥出来，又有学者提出了将2种技术联合起来的联合型方案。联合型1)方案一联合型也有多种方案，方案一是根据分断电流的大小不同採用2种工作方式，当需要分断额定电流以下的电流时採用自然换流型工作原理分断电流，当需要分断额定电流以上的大电流时採用强迫换流型工作原理分断电流。与单独的自然换流型相比，其可以分断短路电流的能力更强;与单独的强迫换流型相比，其不需要每次额定电流的分断也採用脉冲电路放电，节省了能量，并且在合闸特性方面具有了自然换流型的触头间无拉弧优点。荷兰Delft大学于2007年提出了将自然换流型和强迫换流型联合起来的混合型限流断路器拓扑结构，如图所示。