混合型限流及開斷技術

混合型限流及開斷技術是將高速機械開關、固態開關、快速熔斷器、超導限流器、液態金屬限流器等幾種技術有機結合的一種新型限流及開斷技術，通常具有幾種技術的優點，克服了它們單獨套用時的缺點，因此具有廣闊的套用前景。詳細介紹了混合型限流斷路器、混合型限流熔斷器、混合型超導限流器和混合型液態金屬限流器的工作原理及其發展現狀，對小同的拓撲方案進行了對比分析，總結了各類混合型限流及開斷技術各自的優缺點，歸納了未來混合型限流及開斷技術需要進一步研究的內容和發展方向。

基本介紹

• 中文名：混合型限流及開斷技術
• 外文名：Hybrid current limiting and breaking technology
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 特點：具有快速限流分段特性
• 分類：自然換流、強迫換流、聯合型

背景

隨著電網中的短路電流水平日益提高，短路電流峰值可達到100 kA以上，且短路電流上升速率di/dt極高，傳統電力系統保護設備(如斷路器和熔斷器)的極限分斷能力不足，且動作時間較長，難以滿足短路故障發生時快速限流分斷的要求，函待開展新型限流及開斷技術的研究。

國內外已開展了多種原理的新型限流及開斷技術研究，例如高速機械斷路器技術、固態開關技術、新型快速熔斷器技術、超導限流技術、混合型限流技術等。其中，混合型限流及開斷技術是將幾種技術有機結合的一種新型限流及開斷技術，正常工作時額定電流從電阻為微歐量級的支路上流過，故障時通過並聯支路來快速分斷短路電流，因此其具有幾種技術的優點，克服了它們單獨套用時通態損耗大、分斷速度慢、分斷能力弱等缺點，具有廣闊的套用前景。國內外針對混合型限流及開斷技術開展了大量的設計、仿真、試驗等工作，並已開發出多種成熟產品套用於實際電力系統保護中，本文將對主要的混合型限流及開斷技術，即混合型限流斷路器、混合型限流熔斷器、混合型超導限流器和混合型液態金屬限流器等進行分析。

混合型限流斷路器

混合型限流斷路器按分斷原理不同可分為自然換流型、強迫換流型、聯合型3種，如右圖所示。

3種混合型限流斷路器原理圖

3種混合型限流斷路器在正常工作時的電流都是從機械開關上流過，主要區別在於電流分斷時的工作方式不同。混合型限流斷路器可用於關鍵節點的電路通斷和保護，如發電機出口、電網跨接線等處，優點在於通流能力強、可重複使用。下面對3種混合型限流斷路器分別進行介紹。

自然換流型

自然換流型限流斷路器分斷電流時，首先給右圖(a)中機械開關分斷信號，並且給固態開關發出導通信號，當機械開關觸頭分離產生的弧壓超過固態開關導通壓降後，其上的電流會被快速轉換至固態開關支路上，然後由固態開關對電流進行快速分斷。

美國先進電力系統中心((cAPs)和瑞士聯邦技術學會聯合研製了12 kV/2 kA中壓直流系統用混合型限流斷路器。該限流斷路器由高速轉換開關、橋式固態電路、高速分斷開關, PTC電阻和負荷開關組成。仿真表明該斷路器能將預期20 kA短路電流峰值限制到10 kA。由於單個GTO的耐壓為4.5 kV，需要幾個SEM單元串聯來承受系統電壓，均壓技術是必須解決的關鍵技術，同時過於複雜的固態開關支路還增加了線路阻抗，給快速換流帶來困難，因此均壓和換流是該型裝置在中壓系統套用中的難點問題。瑞士ABB採用超高速斥力開關和IGCT並聯研製了直流1.5 kV/4 kA混合型限流斷路器，其斥力開關的動作延時小於300us,樣機採用2個IGCT並聯的橋式電路方案分斷了5 kA的電流。荷蘭Delft大學採用斥力開關和6組IGBT並聯設計了直流600 V/6 kA混合型斷路器，該斷路器也只完成了額定6 kA電流分斷，並無短路限流的要求。由於以上2種限流斷路器的固態開關都採用了多個IGCT或IGBT並聯，器件的均流問題使得這2種方案都難以開斷幾倍於額定電流的短路電流。日本三菱電氣公司採用高速斥力開關和雙向晶閘管並聯研製出交流15 kV/600 A混合型斷路器，該斷路器利用交流電的自然過零點，使得晶閘管截止導通實現了12.5 kA電流的分斷，由於晶閘管不是強迫關斷的而是電流自然過零關斷的，因此該斷路器不能限制短路電流，只能承受短路電流並等待交流電流自然過零分斷。

目前我國在該領域也開展了大量研究，東南大學針對交流4 kA/400 V低壓場合設計了基於IGBT的混合型自動轉換開關，對其進行了理論分析、仿真和試驗。清華大學也開展了基於快速真空開關和GTO的混合型限流斷路器研究工作，對換流過程的影響因素進行了分析和樣機的小電流分斷試驗。浙江大學也設計了機械開關和IGBT閥組並聯的直流限流斷路器方案，對參數設計原則及複合開關的配置方法進行了詳細的推導，並對其正確性進行仿真驗證。海軍工程大學設計直流限流斷路器方案，利用了晶閘管可短時承受大過載能力的特性，採用快速晶閘管強迫關斷技術實現了在短路電流上升段快速開斷電流，克服了以往採用多個全控電力電子器件並聯的混合型限流斷路器分斷高di/dt短路電流存在的均流和關斷特性不一致難題。

綜上，當固態開關中採用無自關斷能力的晶閘管器件(無強迫關斷電路)時，則只能用於有電流過零點的交流系統的電流開斷，並無限流能力;如果晶閘管加裝了強迫關斷電路或採用具有自關斷能力的GTO, IGBT, IGCT等器件時，則可用於交流或直流系統限流開斷。

強迫換流型

強迫換流型根據其分斷電流時的工作原理不同又可分為2類:1)一種是首先給機械開關發分斷信號，當機械開關觸頭開始分離後再給脈衝放電電路導通信號，放電電流會在機械開關上形成人工電流過零點，當機械開關電流過零時整個裝置完成電流分斷過程；2)另一種是在給機械開關發分斷信號後，在機械開關觸頭開始分離前給脈衝放電電路導通信號，放電電流會在機械開關上形成人工電流過零點，通過控制脈衝放電開始的時刻來使得人工過零點和機械開關觸頭分離時刻剛好重合，即在零電流時打開機械開關的觸頭。

1998年日本三菱電氣公司Kishida等人提出了採用真空快速開關的強迫換流型限流斷路器方案，進行了交流200 V ,1.2 kA電流分斷試驗，快速開關的觸頭分離動作延時為0.4 ms在觸頭開始分離後不同時刻((0.1, 0.3, 0.6 ms)給放電迴路發導通信號，放電電流在快速開關上形成電流零點使其分斷，該分斷方法屬於強迫換流型分斷的第一種工作原理。試驗中發現當快速開關上的電流在強迫過零點處的下降率超過一定值時，裝置不能完成電流分斷，文中並未給出其原因分析，但指出與分斷電流的大小無關，該問題是此型裝置需要解決的一個難點問題。另外，為了在2個方向都能給真空開關提供人工電流過零點，因此並聯了2套脈衝電容放電迴路和電容充電迴路，這極大地加大了系統的複雜性，這也是它的缺點之一。

海軍工程大學莊勁武等設計了一種基於強迫換流原理的新型混合型直流真空限流斷路器。通過在高速真空開關兩端並聯反向續流二極體，使真空滅弧室在電弧電流強迫過零後因二極體的續流作用得到了近似零電壓的介質恢復過程。設計方案將過電壓的載入時刻後移，最佳化了真空滅弧室電流過零後的介質強度恢復環境，使真空開關得以在小間隙下分斷高上升率的直流短路電流。設計了直流1 kV/400 A限流斷路器樣機並進行短路分斷試驗，該斷路器可將初始上升率為5 A/}s的故障電流限流至2.5 kA以下。

對比以上各種自然換流型和強迫換流型限流斷路器方案，可以歸納出自然換流型相比於強迫換流型的優點主要有:

1）限流斷路器帶電合閘時，固態開關可以先於機械開關導通，因此機械開關動觸頭的合閘彈跳不會在觸頭上產生拉弧。

2)不需要電容和電感組成的放電迴路。

而自然換流型的缺點有：

1）如果要分斷高di/dt的短路電流，則固態開關支路電感需要儘量低，固態開關和機械開關的安裝位置必須非常靠近，否則機械開關向固態開關換流時間將較長。

2)需要多個大功率GTO，IGBT或IGCT等器件串並聯以滿足高壓大短路電流分斷要求，器件的動態均壓均流有難度，且總價格較高。

而自然換流型的缺點恰是強迫換流型的優點，此外，自然換流型還可以通過延長GTO, IGBT或IGCT的導通時間，來保證過電壓出現時機械開關觸頭間介質不會被重擊穿。因此，為了將自然換流型和強迫換流型優勢更好地發揮出來，又有學者提出了將2種技術聯合起來的聯合型方案。

聯合型

1)方案一

聯合型也有多種方案，方案一是根據分斷電流的大小不同採用2種工作方式，當需要分斷額定電流以下的電流時採用自然換流型工作原理分斷電流，當需要分斷額定電流以上的大電流時採用強迫換流型工作原理分斷電流。與單獨的自然換流型相比，其可以分斷短路電流的能力更強;與單獨的強迫換流型相比，其不需要每次額定電流的分斷也採用脈衝電路放電，節省了能量，並且在合閘特性方面具有了自然換流型的觸頭間無拉弧優點。

荷蘭Delft大學於2007年提出了將自然換流型和強迫換流型聯合起來的混合型限流斷路器拓撲結構，如圖所示。

荷蘭Delft大學方案

該項目的最終目標是研製直流3 kV/7 kA的限流斷路器樣機。結構由自然換流型電路和強迫換流型電路2部分組成，自然換流型電路用來分斷額定電流以下的電流，強迫換流型電路單獨作用或聯合作用來分斷額定電流以上的大電流。自然換流型電路的固態開關由GTO（T6）和二極體(D6)組成;強迫換流型電路主要由C7, L7和T7組成，R8, T8用來限制C7兩端的電壓，L9, T9用來釋放C7上儲存的能量。聯合作用的原理是，在給主開關S發出分斷信號後，給GTO管T6發導通信號，使得主迴路電流換流到T6上，即自然換流工作過程，自然換流結束後給晶閘管T7發導通信號，C7的放電電流會首先將T6電流減小到零強迫關斷，然後二極體D6導通續流，D6電流過零截止後C7, L7將串入主迴路中，強迫換流的作用是提供反向電流關斷GTO。

2)方案二

海軍工程大學針對現代艦船直流電力系統交流整流發電機保護面臨的斷路器發電機側短路時需瞬時分斷高上升率短路電流，以及斷路器電網側短路時需短延時後分斷短路電流的要求不同這一問題，提出一種聯合型真空直流斷路器的拓撲結構，如右圖所示。

海軍工程大學方案

採用強迫換流關斷原理關斷髮電機側短路時高上升率的短路電流，採用自然換流關斷原理實現電網側短路時短延時保護以及正常工作電流的分斷。設計了直流1 kV/2.5 kA斷路器樣機，並進行了正、反向關斷試驗，實現了正向8 kA的自然換流關斷和反向初始上升率為20 A/s的短路電流強迫換流關斷。

以上3種混合型限流斷路器在實際系統中各有其適合套用的範圍，自然換流型受電力電子器件耐壓限制，現有產品多套用於中低壓系統。相對而言，強迫換流型利用電容放電迴路創造電流過零點，利於在高壓場合的套用，但這種方式也有缺點，它需要額外脈衝關斷電路且對觸頭動作速度要求較高。聯合型方案一利用自然換流電路分斷額定電流，用強迫換流電路分斷故障電流，提高了整機的工作可靠性和使用壽命，但結構較為複雜;方案二則針對實際系統中2個方向限流分斷要求的不同採用2種原理進行分斷，有其獨特的適用範圍。

混合型限流熔斷器

混合型限流熔斷器是將高速開斷技術與限流熔斷器結合的一種限流開斷裝置，按故障檢測方式的不同可分為電子測控型和電弧觸髮型2種。混合型限流熔斷器通常用於交流或直流大電流負載支路的過載或短路限流分斷，一次保護動作後需要更換新部件，但部件所需成本較低。

電子測控型

電子測控型限流熔斷器是較早出現的混合型限流熔斷器，其方案如圖所示。

電子測控型限流熔斷器方案

由檢測觸發裝置、高速開斷器和滅弧熔斷器等組成，額定電流從高速開斷器上流過。短路發生時，電子式檢測觸發裝置發出點火信號，引爆高速開斷器內的炸藥使其分斷，將短路電流轉移到滅弧熔斷器上，滅弧熔斷器迅速熔斷並將電流切斷。滅弧熔斷器迅速熔斷並將電流切斷。

電子測控型限流熔斷器的代表性產品有ABB公司的Is-Limner, Ferraz公司的Pyristor, G&W公司的CLip等產品。這類產品的額定電壓達到了最高40.5 kV額定電流達到了最高5 kA，開斷電流可達到200 kA以上，在國內外已有大量套用，主要套用於大型發電機出口、擴建或聯網運行時的跨接排以及與電抗器並聯組成限流方案。

電弧觸髮型

由上述的電子測控型限流熔斷器採用電流感測器和電子控制模組作為檢測觸發方式，整體結構較複雜，體積較大，因此有學者在其基礎上提出了電弧觸髮型限流熔斷器方案。電弧觸髮型限流熔斷器按開斷器驅動力的不同又可分為炸藥驅動型和電磁斥力驅動型2種。

（1）基於炸藥驅動開斷器

電弧觸髮型限流熔斷器，其採用電弧觸發器取代檢測觸發裝置，省去了電流感測器和電子控制模組，直接利用短路電流的熱效應作為短路檢測和觸發手段。電弧觸發器內部為帶有狹頸的熔體導電部件，發生短路時，熔體在短路電流作用下迅速熔斷產生電弧，利用該電弧電壓引爆高速開斷器內的炸藥。電弧觸髮型限流熔斷器極大提高了設備可靠性，無需控制電源、體積小、成本低，克服了電子測控型存在的問題。

電弧觸髮型限流熔斷器最早由美國G&W電力公司的H.M.Pflanz等人提出[}z}}，命名為PAF。採用該方案所研發的產品額定電壓從交流2.8 kV至38 kV共6個等級，額定電流有200, 300, 400和600 A共4個等級，其最大額定電流只有600 A，無法滿足1000 A以上的保護需求。海軍工程大學也開展了電弧觸髮型限流熔斷器的關鍵技術研究，提出了一種扁矩形孔熔體結構的電流觸發器結構，將電弧觸發器的額定電流由G&W電力公司的600 A提高到3000 A，並研製了320 V/2500 A, 1200 V/1250 A和lOk V/2000 A等多種型號直流限流熔斷器。

在前述電子測控型和電弧觸髮型限流熔斷器中，它們的高速開斷器都是依靠炸藥爆炸技術來進行驅動，其問題在於:1)炸藥有使用壽命限制，會逐漸分解失效，需要定期進行更換;2)炸藥耐溫性差，對工作溫度有嚴格限制;3)炸藥爆炸分斷開斷器時噪音較大，且會產生火花。

（2）基於電磁斥力驅動開斷器

為了克服炸藥驅動開斷器使用炸藥帶來的上述缺點，在圖8限流熔斷器基礎上，海軍工程大學發展了2種基於電磁斥力驅動型開斷器的新型限流熔斷器方案，分別是基於電磁斥力驅動銅橋型開斷器的方案和基於電磁斥力驅動銀片型開斷器的方案。與原有電弧觸髮型限流熔斷器不同的是，該方案中的開斷器採用電磁斥力技術替代炸藥進行驅動，當短路發生時，電弧觸發器給斥力驅動電路中的晶閘管觸發信號，電容向斥力線圈注入一個大脈衝電流，斥力盤在電磁斥力作用下將開斷器中的銅橋或開斷器中的銀片打斷，實現開斷器的快速分斷。

基於新材料的混合型限流技術

隨著Bi2223超導帶材、YBCO超導薄膜和液態金屬等新材料的出現和技術參數的不斷提高，將此類新材料和快速機械開關等技術相結合形成了混合型限流技術發展的一個新方向，如混合型超導限流器和混合型液態金屬限流器等方案。

韓國電力公司和韓國電力研究院開展了三相交流22.9 kV/630 A混合型超導限流器研發，其中超導材料分別採用了B 12223超導帶材、YBCO超導薄膜2種方案，樣機(寬3.8 mx深1.4 mx高2.3 m,2750 kg)在22.9 kV交流電網饋線支路上安裝運行了一年以上，並進行了有效值12.5 kA交流短路限流試驗。限流器由高溫超導模組(HTS)、快速開關模組(FS}和限流阻抗(CLR)組成。HTS由9個AMSC 344超導元件(13 mmx8 m)並聯而成，用於增強額定通流能力，HTS工作於77 K液氮環境中，並由單級GM制冷機冷卻。正常工作時，額定電流從HTS和FS中的真空斷路器(VI)上流過，故障發生時，短路電流使得HTS失超，HTS阻抗增大，電流被轉移到並聯的FS中的斥力驅動線圈上，斥力機構驅動VI分斷，Short contactor接通，電流進一步轉移到CLR支路上，由限流電抗器實現短路電流的限流。

混合型超導限流器的優點是HTS只在故障初期流過短路電流，HTS失超後電流將轉移到並聯支路，由CLR承擔限流任務，與傳統的電阻型超導限流器相比，HTS不承擔限流任務，所需超導元件數量少、費用低，無耐受過電壓要求、超導材料工作可靠性提高，失超恢復速度快，有利於快速重合閘。

近年來，一種以低熔點、無毒的金屬合金稼錮錫為填充介質，基於自收縮效應的新型液態金屬限流器開始受到人們的關注。在短路電流流過時液態金屬會發生快速收縮現象，並能夠產生電弧來限制短路電流，具有體積小、無可動部件、自觸發和自恢復、全封閉免維護特點。西安交通大學在自研的液態金屬限流器((LMCL)基礎上，提出一種混合型液態金屬限流器方案，即將LMCL與一個快速轉換開關並聯，如右圖所示，進行了預期20 kA短路限流試驗。

混合型液態金屬限流器

該方案中大額定電流從快遞轉換開關上流過，故障發生時快速轉換開關斷開並將電流轉移到LMCL上，由其快速起弧限流，克服了LMCL單獨使用時額定電流僅為幾百安的缺點。

需要進一步研究的內容

混合型限流斷路器

1)整體方案設計。

自然換流型由於採用SCR, GTO, IGBT, IGCT等電力電子器件，單只器件耐壓通常在10 kV以內，高壓套用時需要多個器件串聯，器件的同步控制和動態均壓技術是發展難點，且多隻器件串聯要求機械開關的弧壓高於器件串聯導通壓降才能進行電流轉移，通常兩者數值相差不大，增加了換流難度，需要對弧壓、換流支路電感、電阻、電力電子器件壓降等影響因素進行最佳化設計。此外，如果系統額定電流較大時，短路分斷過程中電力電子器件可能承受較大的脈衝電流，需要機械開關的動作時間儘量短，以減小轉移到固態開關並需要其分斷的電流，防止電力電子器件擊穿損壞。

強迫換流型相對於自然換流型，其利用電容放電迴路創造電流過零點，利於在高壓場合的套用，但由於機械開關電流過零後需要很快承受過電壓，因此對機械開關熄弧後的觸頭間的介質恢復特性要求較自然換流型更高，不宜採用空氣介質，需要採用真空、SF6等絕緣介質，強迫換流下的介質恢復及分斷可靠性有待進一步研究。

未來研究中可考慮將自然換流原理和強迫換流原理有機結合，或者採用SCR和IGBT串聯的電力電子複合開關等新技術，或者採用壓接型IGBT,加強型IGBT(IEGT), SiC等新型電力電子器件來設計新型限流斷路器拓撲結構，採用EMTP,SABER等軟體對機械開關、並聯支路參數、整機控制策略進行最佳化設計。

2)高速機械開關設計。

混合型限流斷路器開斷電流的時間主要取決於其中的關鍵部件一一高速機械開關的動作時間，要使得它能在幾百微秒內形成觸頭分離，幾個毫秒的時間內形成足夠的耐壓開距，需要合理設計開關的斷口及其配套的快速操動機構。為了中高壓系統套用，斷口可以採用真空或SF6氣體為絕緣介質，並可設計適當的多斷口串聯以提高耐壓。操動機構可採用電磁斥力驅動機構和永磁驅動機構並用方式，電磁斥力驅動機構用於滿足短路分斷時快速、可靠分閘，永磁驅動機構用於正常狀態的斷路器分合閘操作，以減小正常狀態使用時對觸頭機構衝擊，提高整機機械壽命。通過有限元分析軟體ANSOFT對機械開關驅動電路進行仿真建模，分析斥力盤結構、線圈尺寸、驅動電容容量及工作電壓對於機械開關的分斷影響，最佳化參數。

3)介質恢復特性分析。

混合型限流斷路器分斷的可靠性還取決於過電壓出現時機械開關中介質的恢復強度。介質恢復強度的影響因素包括觸頭打開過程中產生的電弧能量、觸頭打開的速度、觸頭上電流的下降率、過電壓上升率、觸頭材料、結構及絕緣介質等。研究者可建立拆卸式滅弧室的電弧研究平台，利用合成迴路試驗方式，並藉助於高速攝像機，研究不同影響因素下，機械開關觸頭分離過程中電弧形態演化和電弧電壓特性，分析其介質恢復特性，並對整機的控制策略及參數設計提出要求。

混合型限流熔斷器

1)電弧觸發器設計。

混合型限流熔斷器中觸發器設計需要綜合考慮額定通流和短路限流2方面要求，較大的額定通流需要觸發器熔體截面較大，勢必使得觸發器短路限流的快速性不夠，因此在觸發器熔體結構設計上需要考慮改進開孔方案、狹頸長度、寬度、焊接帶間距、填充物等因素，以提高狹頸的載流密度，保證觸發器在大額定電流下仍具有較低的弧前值。

2)開斷器設計。

在滿足額定通流基礎上，設計能夠快速可靠斷開的新型開斷器結構，縮短初始起弧時間，提高電弧電壓，快速熄滅電弧的方法。建立開斷器開斷過程數學模型，通過ANSYS, ANSOFT等軟體仿真分析不同結構形式對於溫升特性、分斷特性的影響，對開斷器的結構進行最佳化設計。

3)介質恢復特性分析。

從分析開斷器中電弧的平衡態組成和基本屬性入手，建立藕合電場、磁場、熱場及流場變化複雜過程的電弧數學模型，基於所建立的電弧模型進行FLUENT仿真，結合高速攝像拍攝的電弧現象，得到開斷器分斷過程中電弧特性的規律性認識。

通過電弧重燃理論分析和介質恢複合成試驗，研究開斷器在不同燃弧能量、開斷速度、介質恢復時間的介質恢復特性，提出改善介質恢復強度的方法，並對整機各組件參數的匹配性進行最佳化設計，保證限流熔斷器分斷的可靠性。

基於新材料的混合型限流技術

Bi2223, YBCO等超導材料在實際系統套用中對製冷設備有較高要求，需要複雜而昂貴的冷卻系統保證其工作在超導狀態，同時大電流系統需要多個超導元件並聯，這就要求各超導元件能夠均勻分布電流和失逾時具有失超一致性，此外由於失超後超導材料發熱所產生的熱量容易造成材料損壞，因此對超導材料失超保護技術也提出了很高要求。近年來以MgB2為代表的新型超導材料因具有較高的轉變溫度、良好的結構特性、較強的機械性能、快速的失超過程、較高的熱傳導率、相對低廉的製造成本、較好的臨界電流密度和較高的電阻率、簡單的製造工藝等優點，成為了超導故障限流器設計較理想的材料，下一步需要對其限流特性及工程套用方式作進一步研究。

結語

混合型限流及開斷技術經過多年的發展，國內外學者已設計出多種混合型限流斷路器、混合型限流熔斷器、混合型超導限流器和混合型液態金屬限流器拓撲結構，並在電力系統實際套用中取得了成功。隨著高速斥力開關、高速開斷器、新型固態開關器件、超導材料、液態金屬材料等新技術、新材料的蓬勃發展和技術參數的不斷提高，將湧現出更多類型的技術方案，通過提高機械開關分斷速度、換流速度、並聯支路分斷能力、整機介質恢復速度，混合型限流及開斷技術必將在未來電力系統，特別是直流電力系統保護中具有廣闊的套用前景。