基于电器试验检测系统的固态断路器的分析

时间：2024-08-31

李博浩，刘涛，周琪，温欢

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水 741018；2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃天水 741018；3.天水电气传动研究所集团有限公司，甘肃天水 741020；4.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃天水 741020）

随着电力系统配电自动化的发展，对高压断路器的要求也越来越高，尤其是大容量短路试验室对短路试验容量和试验关合角度的要求。

高压交流断路器作为大容量试验必备的设备，操作次数频繁，开断控制可靠，开断电流较大，而单纯的机械结构断路器不能很好地满足试验操作的需求。由于目前机械断路器自身的限制，对于开断电压高故障电流大的回路有一定的困难，且开断次数受限，尤其是大容量短路试验室经常对12kV，60kA以上的电流进行开断，而智能化的固态断路器就可以很好地解决这一问题。

该产品是利用电力电子器件的无触电特性的一种开关装置，不会在电流开通关断瞬间产生电弧。交流高压断路器一般是利用交流电弧过零自然熄灭这一特性，通过改善灭弧介质、吹弧、拉弧、并联电阻等方式使得电弧熄灭，从而断开电路。而电弧是否熄灭取决于介质强度的恢复速度和外施电压的上升速度，应用最广泛的介质是SF6，此介质在频繁的开断中会产生有毒气体，所以在短路容量试验室这种场合危害更大。

随着电力电子技术、数字化经济和网络技术发展的突飞猛进，利用电力电子器件做到断路器无触点开断，可以在试验室频繁随意控制，对固态断路器也可以实现智能化网络控制。

1 国内外研究现状对比分析

美国一科研机构已经制造出15kV、600A的高压固态断路器，该样就能够在4ms内完成开断。美国一公司也研制出了13kV、675A的高压固态断路器，在某变电所投入应用，同时英国一电气公司也研究开发了13kV的高压固态断路器，专门应用于供配电系统。

理想的高压固态断路器应具有以下特点：

（1）稳定性良好，开断速度快，能够在几毫秒甚至在微秒级别范围内开断；

（2）对开断的时刻能精准控制；

（3）机械寿命及电池寿命都尽可能长，不受使用时间限制；

（4）能有效地控制各种故障电流；

（5）结构及功能良好,保证无严重故障。

我院根据实际需要采用12只6.5KV、2KA的IGCT器件单路一组串联，后两组再并联的方式形成一相，自己设相序任意时刻的控制电路，配合控制断路器，来满足试验控制需要。相比国外提出的技术有以下优点：

（1）在一个工频周期内可以根据需要控制开关合分闸的角度；

（2）通流能力强，器件功耗低，不需要大面积的散热装置；

（3）无机械机构，控制操作无噪声，无机械力冲击；

（4）采用了自关断器件，这样断路器能够在最短的时间内切断电流，给电器设备更加可靠、安全的保护；

（5）配合机械结构断路器同时控制使用，大幅提高了控制和通流能力；

（6）在200ms内的通流能力可以达到50kA，可控性强；

（7）实现了真正意义上的无飞弧，大大节省了电器试验回路的安装空间，同时也可以用于矿山等要求防爆的环境。

2 固态断路器

2.1 传统高压断路器

根据国家标准GB/T1984-2014规定高压断路器是指运行在额定频率50Hz,额定电压在3kV及以上的系统中的交流断路器。传统的高压断路器都是机械机构带动灭弧室中的动静触头做机械运动来切断电流，使回路中产生断口的方式来实现。高压断路器主要由机械机构和灭弧室等核心结构组成。

在我国目前的输配电网系统中，应用最广泛的是少油断路器，SF6断路器，真空断路器等。35kV以下市场上基本是真空断路器，目前真空断路器的电压等级也在逐步提升。

2.2 固态断路器的组成部分

如图1所示，固态断路器控制结构图主要由以下部分组成：信号检测与处理模块、主控模块、冷却保护模块、电源模块、开关模块。

图1 固态断路器控制结构图

2.3 固态断路器的工作原理

固态断路器工作是通过检测模块电压互感器、霍尔元件等检测到电压电流信号，系统把检测到的信号送入控制单元，控制单元根据检测到的信号波形做出判断。信号单元先是对采集到的波形进行滤波处理，送入A/D模块经过处理，根据控制信号的控制要求的角度进行合分操作。当发生故障时，控制单元检测到信号后，迅速做出动作，使固态断路器迅速断开，其开断速度可以达到毫秒级。

本文分析的固态断路器是将电力电子器件通过并联和串联的方式连接在一起，由串联的模式提高电压等级，并联的形式形成交流控制模型。如图2固态断路器原理接线图所示，如果晶闸管是常规的硅整流管（SCR），则开关在交流电流第1次过零点时断开回路，这将形成几毫秒的延时。但是采用门极可关断晶闸管GTO，则能够在一瞬间切断电流。

图2 固态断路器原理接线图

正常运行时，GTO导通的同时旁路断路器同时合闸，先是固态断路器合闸，然后旁路断路器合闸接通电流，降低固态断路器长时间工作的负担。一旦检测到故障，控制系统向GTO门极发出关断脉冲，旁路断路器和固态断路器同时接收分闸信号，旁路断路器先分闸，等待分闸到位后，固态断路器在几个ms内，寻找故障电流的过零点切断故障电流，因此能够很好地抑制电网电压的跌落以及各种故障电流造成的严重损失。

晶闸管常用于大容量试验的固态断路器，如图3所示，发生故障时，当故障电流超过设定值时，系统检测到信号使得CK开始放电，同时晶闸管T1截止，D续流，回路电感产生震荡，放电电流经过第一个电流零点时，T2关断，控制结束。

图3 晶闸管型断路器的开关模块

高压固态断路器结构框图如图4所示，首先断路器采集高压母线上的重要信号如电压和电路信号，也可以通过采用同步信号的方式来实现。对采集到的信号进行模数转换，输入到单片机，控制之前需要输入对控制信号的的控制角度。单片机在接收的控制信号之后首先判断需要控制合分的角度位置，在接收到当前控制信号的一个周期内就能做出控制动作，最长的控制动作可以在20ms内完成，单片机采用100MHz的控制频率，采用高速数模装换芯片，能够有效高速地做出反应。控制回路模块采用单独的电池电源供电，整体封装在一个金属盒子内，可以有效提高其抗干扰能力。

图4 固态断路器结构框图