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固态断路器的应用与仿真研究
2006年4月26日 15:16  来源:高压开关论谈
引言
  
  固态断路器(SSCB)是柔性交流输电系统(FACTS)和DFACTS(配电FACTS)中实现对电力系统参数和网络结构快速、灵活、准确控制的关键设备,也是保障现代电力系统安全、可靠运行的重要设备。随着配电网容量的日益增大,系统的短路容量也持续增加,这对开关设备的开断能力提出了更高的要求。同时,随着用户对供电质量要求的不断提高,如何快速切除短路电流以抑制故障期间电网电压的跌落也非常重要。现有的机械式断路器因受其自身物理结构的制约,其开断容量很难有大幅度提高,并且动、静触头分开时引起的电弧延长了故障电流切除时间,使之难以满足一些电力用户对故障电流开断的速动性要求,因此如何限制、迅速开断故障电流显得日趋重要。基于电力电子器件的固态断路器因其卓越的电流关断性能使其自问世以来便引起广泛的关注。
  
  2 固态断路器的工作原理
  
  SSCB是背靠背地将晶闸管并联在一起,形成一个交流开关模块,再按额定电压将其串联起来。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。这将形成几毫秒的时延,但已可为大部分用途所接受。如果采用门极可关断晶闸管(GTO),则可瞬时切断电流。图中的ZnO避雷器和缓冲器用来吸收晶闸管关断时所产生的过电压。
  
  用于6kV及以上系统的SSCB大多采用GT0器件。正常运行时GTO导通,负荷电流从中流过;一旦检测到故障,控制系统向GTO门极发出关断脉冲,SSCB可在几百lls内,在故障电流没有上升到较大幅值前就予以切除,因此可有效抑制电网电压的跌落和大故障电流带来的恶劣后果。
  
  若再将1组电抗器并联于SSCB(图1中虚线所示),则构成了故障电流限制器(FCL)。其工作原理是:在正常负荷条件下,GTO开关闭合并处于完全导通状态。GTO开关由电流大小或电流上升率驱动,在几十lLs内可转换为断开状态,并可断开很大的电流,使故障电流在达到破坏性的数值前很快受到限制。在GTO关断瞬间,电流流向缓冲器,缓冲器在晶闸管电压达到ZnO避雷器动作电压之前,限制了电压的上升速度。该电压也加在电抗器上,由于电抗器的限流作用,故障电流受到了限制。当故障被清除,线路电流恢复正常,GTO开关则在电压为零或接近零时接通,这样可以避免缓冲器的电容放电电流太大,电抗器上的电流将在零点几秒内衰减掉。
  
  3 固态断路器的应用
  
  SSCB可以提高开断速度,提高稳定性;能够准确控制开关时刻,选择在电流过零时动作,降低过电压。在两个互为备用的馈线端都采用SSCB,就可在任一馈线故障时,将停电或异常时间限制在1周波之内。
  
  更有效的方案是在SSCB,和SSCB:的位置上全用常规机械式断路器,而SSCB3和1台StatcOn将保证正常供电(反应时间只有几毫秒)。Statcon可保证在系统电压正常闪变时电压恒定,还可使母线电压和电流不受谐波影响。如果在SSCB3的系统侧发生故障,它将在小于1周波的时间内断开,Statcon即开始向敏感负荷供电,其时间足够使常规开关切除故障或将负荷转接到另外无故障的馈线上。SSCB3可测知故障并与其断开,此时Statcon将维持敏感用户母线的电压水平,使该负荷实际上不受整个交流系统或其它负荷事故的影响。即使在严重情况下,还是来得及启动备用电源或将负荷转接到第3个无故障的馈线上。
  
  美国西屋电气公司研制成功的强迫空冷户外式SSCB(13.8kV,675A)于1995年2月安装于美国新泽西州PSE&G变电站运行。其原理接线见图3(与故障电流限制器FCL组合),其中SSCB的GTO回路额定电流为675A,通过SCR的故障电流为8kA。
  
  其中,GTO为主开关,用于导通正常负荷电流;与之并联的SCR为辅助开关,正常运行时断开,故障时导通故障电流;限流电抗器可保证系统的故障电流低于SCR的开断容量,并可减轻下游断路器的开断压力,当检测到系统故障时,控制系统向GTO发出关断脉冲,GTO关断后持续半个周期再重合,同时检测后续半个周期内的线路电流是否恢复正常,如果恢复正常则GTO维持导通状态。因此在这种情况下,供电中断时伺最多为半个周期;如果故障仍存在,则GTO再次断开,同时SCR导通,限流电抗支路投入运行,最终将故障电流限制在一定数值以下:10多个周期后如果故障仍存在,则SCR断开,最终将故障切除。
  
  这里利用MATLAB软件对低压固态断路器的特性进行仿真研究。
  
  MATLAB软件中的电力系统模块库(PSB)是一种针对电力系统的可视化建模与仿真工具。在PSB的电力电子模块库中,有一个理想开关模型,它用于模拟一个简化的电力电子装置,如GTO装置或者是用于电流切断的固态断路器。理想开关模型由1个电阻、1个电感和1个由逻辑信号C控制的开关组成。
  
  理想开关用来接通或断开一个电抗器(L=1 H,R=50Ω,杂散电容C=50nF)。开关参数是:R=1Ωm,L=IXl0-9H,没有缓冲电路。开关最初是关闭的,在36ms时被打开,然后在t=0.15s重新闭合。

  启动仿真,观察流过电抗器的电流人与电压认以及开关电压Uswitch与开关电流Iswitch。在t=36ms时,开关断开,流过电抗器的电流为0.185A。电抗器上的电流断开时,在电抗器上产生一个高频过电压
  (711HZ),其最高电压可通过下式计算
  Ulmax=IL =0.185 =830V(1)
  当t=0.15s时,开关重新闭合。
  
  5 讨论
  
  尽管十多年来国外对高压固态断路器的研制取得了较大的突破,并有实际的工程应用,但因受到以下固有缺点的制约,迄今固态断路器仍未广泛应用。
  
  1)目前电力电子器件的额定电压和额定电流较低,在高压电网中,需要采取多个GTO串并联的方式来提高固态断路器的开断容量及其可靠性,因此必须解决各驱动脉冲的同步控制问题,以保证各串并联运行的GTO在开通与关断时有较好的均压和均流特性,否则压降不均或分流不均都将导致GTO元件的损坏,威胁整个串联模块的安全。但由于GTO开断时的增益很小,仅有4~5倍,因此开断大的电流需要大幅值、陡上升率的门极驱动脉冲电流,且随着串并联器件数的增多,控制这些脉冲的一致性触发难度很大。
  
  2)GTO的通态损耗大,目前大功率GTO的通态压降约为3.2V,而机械式断路器的导通压降仅为几mV,因此太大的通态损耗使得固态断路器必须采取特殊的冷却装置才能保证其安全可靠运行。这不但增加了其运行费用,而且还使装置复杂,降低了装置的可靠性。
  
  3)GTO的过载能力低,不能持续导通故障电流,而只能在故障电流到达其最大关断值前关断,因此固态断路器无法实现与下游断路器的整定配合。
  
  由于存在以上缺点,固态断路器的应用范围受到很大的限制,一般只用于一些特殊的场合,例如产生大功率脉冲电源的开断装置、高压直流输电系统的地线转换断路器和一些重要负荷的转移开关。  
 
 
 
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