电流转移法的直流断路器灭弧方案仿真分析
目录
引言 1
一、常用灭弧原理概述 2
（一）灭弧装置性能特点 2
（二）常用灭弧室比较 2
二、灭弧方案选型 3
（一）电流转换灭弧法 3
（二）反向电压灭弧法 4
（三）自激振荡灭弧法 4
（四）电流转移灭弧法 4
三、灭弧效果仿真分析 5
（一）系统技术指标 5
（二）等效电路分析 6
（三）系统灭弧效果分析 8
四、促进灭弧的建议 10
总结 11
参考文献 12
谢辞 13
引言
该课题来源于奇瑞捷豹路虎汽车有限公司。21世纪以来，电力电子技术得到了显著地发展，直流输电技术已渐渐从实验室走进了日常生活中，越来越越受到人们广泛的关注。研究表明，在相同条件下直流输电相比预交流输电技术，有着功耗小、造价低、输送稳定、控制调节容易、技术方案可靠等优点。但直流输电系统输电单一，较交流输电而言缺乏灵活性，因此研究者提出了采用多端直流输电方案，多段直流输电系统对直流断路器性能要求高，必须确保短路可靠稳定的性能，因而对直流断路器的研究成为当前热点。直流输电系统，对有效保护电路过载、短路等紧急现象要求指标严厉，系统断路器不能任意动作，拒动和误动现象都不允许出现。倘若断路器动作出错，整个电力系统将出现故障，致使运行的电力设备损坏，一旦系统故障范围扩大，必然导致大面积停电等严重事故，造成社会恐慌。对于直流电流，不同于交流电流开断性质，没有过零点的特性，通常直流电路系统会添加直流断路器部件，但存在的问题是缺乏有效措施能直接熄灭电弧。而基于电流转流法的电路断流器能够产生电流人工过零点，使电弧电流减小到零，具有很好的灭弧效果。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
当前，国内外相关电力机构对直流断路器灭弧方案的研究高度重视。近三十年来，国外研究机构对直流断路器研制上取得了丰硕的成功：1983年5月，通用公司研制出了高压直流断路器，并在美国太平洋直流联络工程的CWTHLO换流站得到了验证；1986年，BBC公司在实验室测试成功了240kV直流断路器；第二年，日本东芝公司率先研制出真空直流断路器系统；1988年美国密西根大学研制出一台“全固态直流断路器”；2013年10月ABB公司研制出“基于IGBT阀组串联与快速机械开关技术的混合式直流断路器”，其开断间隔时间仅仅需要5ms。近年来，国内各电力公司与院校科研对直流断路器的研究也取得了一些成绩，但整体而言技术相对国外有较大的差距。直流电流不能自然过零点，所带电弧不易被熄灭，是一直以来研究部门设计直流断路器灭弧装置不断攻克的难题。本文将在现有的直流断路器灭弧方法中，重点选择基于电流转移法的直流断路器灭弧原理，并利用Mat lab对其进行仿真和分析。
一、常用灭弧原理概述
（一）灭弧装置性能特点
直流断路器用于开断数十安的电流时，为尽量减少电弧对装置触头的烧损，并进一步限制电弧范围的扩大，需采取对应的措施，提高装置的灭弧能力，实际中通常是通过利用专用灭弧装置来实现这一目的。为获得良好的灭弧效果，对灭弧装置提出了如下具体要求：
1、具有较强的分断电流的能力；
2、由于装置的工况相对比较恶劣，因此要求灭弧装置具有较强抗冲击能力和抗振动能力；
3、由于装置在高电流、高电压的工况下工作，其必须具有良好的绝缘性能；
4、要求装置结构简单，且具有良好的结构适应性，即能够适应触头系统等部件的结构特点。
（二）常用灭弧室比较
1、金属栅片灭弧
金属栅片灭弧的基本原理是将开断电产生的电弧，分割成连续串联的短弧，这样增加了相邻两极压降，整体电弧压降得到扩大，使得电弧接近零点。通常，栅片的厚度在1-5 毫米，多个栅片叠装而成，栅片间隔距离一般为2～10毫米，材料可以选择铁或铜，彼此绝缘。金属栅片安装在灭弧室要以平行和扇形的方式。结构清晰、灭弧电压低、分段电路大等是金属栅片灭弧最显著的特点。
2、局部绝缘栅片灭弧
局部绝缘栅片灭弧利用金属栅片将开断电产生的电弧，分割成连续串联的短弧，这样增加了相邻两极压降，整体电弧压降得到扩大，同时在磁场力的作用下，电弧末端将沿着导弧角进入栅片中，因而电弧被迅速拉长；选取栅片时应考虑耐电弧材料，这样能加强对电弧的表面复合作用并迫使电弧冷却直到熄灭。该灭弧室结构设计小巧简单，同时具有断开电流时流经的电压低、灭弧能力强等优势。
3、绝缘钢片灭弧
绝缘钢片灭弧室的基本原理是在迷宫式灭弧室的绝缘隔板中嵌入导磁性的钢片。该灭弧方案对电弧的吸引力相对原迷宫式灭弧室得以增强，同时电弧被拉长、电弧运动增强。电弧在与绝缘隔板摩擦时，由于表面复合作用原理与冷却原理致使电弧熄灭。通常，绝缘钢片灭弧室需要有特定的吹弧铁心，有的设计利用了主触头回路产生的电磁场，因而可以不再另外增加吹弧的线圈。该灭弧方案电弧电压上升速度快，相对于其它灭弧室熄弧简单、灭弧能力；但灭弧室以及绝缘钢片制造工艺难度多大，因而制造成本较高。
4、螺旋电弧灭弧
螺旋电弧灭弧室，是基于导弧原理将直流电弧分割成连续的多段弧，电弧在静电力作用下形成螺旋状，电弧在相互的静电力作用下被拉长，在于绝缘隔板摩擦时，电弧热量得以传递最终熄灭。结构设计紧凑、灭弧室尺寸小、熄弧速度快、断开流经电压低是螺旋点弧灭弧的主要特点，但也存在不足，主要是电弧必须借助磁吹力，才能进入各小弧角，这样灭弧室才能发挥作用。
二、灭弧方案选型
目前，直流断路器灭弧方法国内外普遍采用以下四种方案：1、电流转换灭弧法2、反向电压灭弧法3、电弧自激振荡法4、基于电流转移原理灭弧法。
（一）电流转换灭弧法
一般电流转换灭弧法在应用中，系统中绝大部分能量的消耗是靠将电流转换至电阻、电容器，通过电然弧耗散的能量只占很少的一部分。直流断路器在研发过程中，国外研究人员提出了一种“分段限流式”直流断路器，其基本原理是首先对直流电限制电流值大小，再闭合断路器，这样可以有效切断直流电弧。也就是在电力系统发生故障前，想尽一切办法限制线路电流值，例如常采用在电路中串联一小段电感，也可以在断开时串联定值电阻以实现限流。该灭弧方案灭弧所需时间长，但断开时电路中电流小。同时电路比较复杂，电路结构设计使各闭合点处的闭合时间需要严格控制。其电路原理如下图2-1所示：
图2-1 电流转换灭弧原理图
（二）反向电压灭弧法
通过电弧方程我们可以知道，如果电弧的电压超过系统的电压，电弧就会熄灭，这就是反向电压法（也称为“增大电弧电压法”）。在早期的低压直流断路器时期经常使用这种灭弧方法，通过触头分断时灭弧室强烈的冷却作用来消除电弧的能量，使电弧电压升高，从而达到熄弧的目的。
关系式如下：
则当短路发生1ms后，故障电流大小为：
四、促进灭弧的建议
前文从理论方案可性能的角度对基于电流转移法的直流断路器灭弧效果进行了仿真分析，分析结果表明了该理论方案灭弧效果良好，特提出以下几点灭弧设计建议：
引言 1
一、常用灭弧原理概述 2
（一）灭弧装置性能特点 2
（二）常用灭弧室比较 2
二、灭弧方案选型 3
（一）电流转换灭弧法 3
（二）反向电压灭弧法 4
（三）自激振荡灭弧法 4
（四）电流转移灭弧法 4
三、灭弧效果仿真分析 5
（一）系统技术指标 5
（二）等效电路分析 6
（三）系统灭弧效果分析 8
四、促进灭弧的建议 10
总结 11
参考文献 12
谢辞 13
引言
该课题来源于奇瑞捷豹路虎汽车有限公司。21世纪以来，电力电子技术得到了显著地发展，直流输电技术已渐渐从实验室走进了日常生活中，越来越越受到人们广泛的关注。研究表明，在相同条件下直流输电相比预交流输电技术，有着功耗小、造价低、输送稳定、控制调节容易、技术方案可靠等优点。但直流输电系统输电单一，较交流输电而言缺乏灵活性，因此研究者提出了采用多端直流输电方案，多段直流输电系统对直流断路器性能要求高，必须确保短路可靠稳定的性能，因而对直流断路器的研究成为当前热点。直流输电系统，对有效保护电路过载、短路等紧急现象要求指标严厉，系统断路器不能任意动作，拒动和误动现象都不允许出现。倘若断路器动作出错，整个电力系统将出现故障，致使运行的电力设备损坏，一旦系统故障范围扩大，必然导致大面积停电等严重事故，造成社会恐慌。对于直流电流，不同于交流电流开断性质，没有过零点的特性，通常直流电路系统会添加直流断路器部件，但存在的问题是缺乏有效措施能直接熄灭电弧。而基于电流转流法的电路断流器能够产生电流人工过零点，使电弧电流减小到零，具有很好的灭弧效果。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
当前，国内外相关电力机构对直流断路器灭弧方案的研究高度重视。近三十年来，国外研究机构对直流断路器研制上取得了丰硕的成功：1983年5月，通用公司研制出了高压直流断路器，并在美国太平洋直流联络工程的CWTHLO换流站得到了验证；1986年，BBC公司在实验室测试成功了240kV直流断路器；第二年，日本东芝公司率先研制出真空直流断路器系统；1988年美国密西根大学研制出一台“全固态直流断路器”；2013年10月ABB公司研制出“基于IGBT阀组串联与快速机械开关技术的混合式直流断路器”，其开断间隔时间仅仅需要5ms。近年来，国内各电力公司与院校科研对直流断路器的研究也取得了一些成绩，但整体而言技术相对国外有较大的差距。直流电流不能自然过零点，所带电弧不易被熄灭，是一直以来研究部门设计直流断路器灭弧装置不断攻克的难题。本文将在现有的直流断路器灭弧方法中，重点选择基于电流转移法的直流断路器灭弧原理，并利用Mat lab对其进行仿真和分析。
一、常用灭弧原理概述
（一）灭弧装置性能特点
直流断路器用于开断数十安的电流时，为尽量减少电弧对装置触头的烧损，并进一步限制电弧范围的扩大，需采取对应的措施，提高装置的灭弧能力，实际中通常是通过利用专用灭弧装置来实现这一目的。为获得良好的灭弧效果，对灭弧装置提出了如下具体要求：
1、具有较强的分断电流的能力；
2、由于装置的工况相对比较恶劣，因此要求灭弧装置具有较强抗冲击能力和抗振动能力；
3、由于装置在高电流、高电压的工况下工作，其必须具有良好的绝缘性能；
4、要求装置结构简单，且具有良好的结构适应性，即能够适应触头系统等部件的结构特点。
（二）常用灭弧室比较
1、金属栅片灭弧
金属栅片灭弧的基本原理是将开断电产生的电弧，分割成连续串联的短弧，这样增加了相邻两极压降，整体电弧压降得到扩大，使得电弧接近零点。通常，栅片的厚度在1-5 毫米，多个栅片叠装而成，栅片间隔距离一般为2～10毫米，材料可以选择铁或铜，彼此绝缘。金属栅片安装在灭弧室要以平行和扇形的方式。结构清晰、灭弧电压低、分段电路大等是金属栅片灭弧最显著的特点。
2、局部绝缘栅片灭弧
局部绝缘栅片灭弧利用金属栅片将开断电产生的电弧，分割成连续串联的短弧，这样增加了相邻两极压降，整体电弧压降得到扩大，同时在磁场力的作用下，电弧末端将沿着导弧角进入栅片中，因而电弧被迅速拉长；选取栅片时应考虑耐电弧材料，这样能加强对电弧的表面复合作用并迫使电弧冷却直到熄灭。该灭弧室结构设计小巧简单，同时具有断开电流时流经的电压低、灭弧能力强等优势。
3、绝缘钢片灭弧
绝缘钢片灭弧室的基本原理是在迷宫式灭弧室的绝缘隔板中嵌入导磁性的钢片。该灭弧方案对电弧的吸引力相对原迷宫式灭弧室得以增强，同时电弧被拉长、电弧运动增强。电弧在与绝缘隔板摩擦时，由于表面复合作用原理与冷却原理致使电弧熄灭。通常，绝缘钢片灭弧室需要有特定的吹弧铁心，有的设计利用了主触头回路产生的电磁场，因而可以不再另外增加吹弧的线圈。该灭弧方案电弧电压上升速度快，相对于其它灭弧室熄弧简单、灭弧能力；但灭弧室以及绝缘钢片制造工艺难度多大，因而制造成本较高。
4、螺旋电弧灭弧
螺旋电弧灭弧室，是基于导弧原理将直流电弧分割成连续的多段弧，电弧在静电力作用下形成螺旋状，电弧在相互的静电力作用下被拉长，在于绝缘隔板摩擦时，电弧热量得以传递最终熄灭。结构设计紧凑、灭弧室尺寸小、熄弧速度快、断开流经电压低是螺旋点弧灭弧的主要特点，但也存在不足，主要是电弧必须借助磁吹力，才能进入各小弧角，这样灭弧室才能发挥作用。
二、灭弧方案选型
目前，直流断路器灭弧方法国内外普遍采用以下四种方案：1、电流转换灭弧法2、反向电压灭弧法3、电弧自激振荡法4、基于电流转移原理灭弧法。
（一）电流转换灭弧法
一般电流转换灭弧法在应用中，系统中绝大部分能量的消耗是靠将电流转换至电阻、电容器，通过电然弧耗散的能量只占很少的一部分。直流断路器在研发过程中，国外研究人员提出了一种“分段限流式”直流断路器，其基本原理是首先对直流电限制电流值大小，再闭合断路器，这样可以有效切断直流电弧。也就是在电力系统发生故障前，想尽一切办法限制线路电流值，例如常采用在电路中串联一小段电感，也可以在断开时串联定值电阻以实现限流。该灭弧方案灭弧所需时间长，但断开时电路中电流小。同时电路比较复杂，电路结构设计使各闭合点处的闭合时间需要严格控制。其电路原理如下图2-1所示：
图2-1 电流转换灭弧原理图
（二）反向电压灭弧法
通过电弧方程我们可以知道，如果电弧的电压超过系统的电压，电弧就会熄灭，这就是反向电压法（也称为“增大电弧电压法”）。在早期的低压直流断路器时期经常使用这种灭弧方法，通过触头分断时灭弧室强烈的冷却作用来消除电弧的能量，使电弧电压升高，从而达到熄弧的目的。
关系式如下：
则当短路发生1ms后，故障电流大小为：
四、促进灭弧的建议
前文从理论方案可性能的角度对基于电流转移法的直流断路器灭弧效果进行了仿真分析，分析结果表明了该理论方案灭弧效果良好，特提出以下几点灭弧设计建议：
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