電弧電壓

電弧電壓指電弧部的電壓，與電弧長大致成比例地增加，一般電壓表所示電壓值包括電弧電壓及焊絲伸出部，焊接電纜部的電壓下降值。多端高壓直流輸電系統由於電壓等級高、線路阻抗小，一旦發生線路短路故障，將很快影響到直流輸電網路和交流網路，必須迅速切除故障。

基本介紹

• 中文名：電弧電壓
• 外文名：The arc voltage
• 實質：電弧部的電壓
• 屬性：物理術語
• 特點：電弧長大致成比例地增加
• 學科：電力工程

基於電弧電壓的混合型直流斷路器

多端高壓直流輸電系統由於電壓等級高、線路阻抗小，一旦發生線路短路故障，將很快影響到直流輸電網路和交流網路，必須迅速切除故障。高壓直流斷路器動作速度快，能夠最大限度地減小故障持續時間或抑制故障電流，減小故障對交/直流輸電網路的衝擊。儘管如此，高壓直流斷路器的發展並不需要等待高壓直流輸電網的全面出現。大多數輸電方案為高壓直流點對點連線，高壓直流斷路器線上仍然可以發揮作用。除了功率轉換，高壓直流換流站同時還可以通過無功功率控制來提高交流網路穩定性。發生故障時，如果換流器能夠迅速地與高壓直流輸電線路斷開，那么換流站可以直接進入獨立運行狀態，作為靜止同步補償裝置（STATCOM），繼續為交流網路的穩定性提供支持。

真空電弧特性

高速開關的電弧電壓決定了故障電流轉移的時間，研製的高速開關斷口採用的是17.5kV真空滅弧室。真空電弧有10kA 以下的擴散型和10kA以上的集聚型兩種形態。混合型斷路器電弧電流一般只有幾千安，屬於擴散型電弧。對擴散型真空電弧電壓起主導作用的是陰極壓降，而陰極壓降主要由觸頭材料決定。觸頭材料的沸點溫度與熱導率的乘積越大，陰極壓降越高。因此為提高電弧電壓，縮短電流換流時間，可以選取高沸點和熱導率的觸頭材料。除此之外，也可通過外加磁場的方式提高電弧電壓，電弧電壓最高可達數千伏。

高速開關採用的是寶光真空滅弧室廠生產的17.5kV/1.250A 的真空滅弧室，觸頭開距為（9±1）mm，運動部分質量為1.1kg。當電流從4kA增大到10kA時銅鎢觸頭的真空電弧電壓基本在30V左右保持穩定，當電流下降時電弧電壓有所降低。

高速開關電磁斥力機構原理

混合型直流斷路器中IGBT閥組的分斷時間是微秒級的，因此，直流斷路器的分斷時間主要是受高速開關的影響。近些年，電磁斥力機構作為一種高速操作機構被廣泛研究。高速開關的操作機構也採用電磁斥力機構，能夠在3ms內快速分閘成功，從而大大縮短整個直流斷路器的分斷時間。

其工作原理是：預先充電的儲能電容向分閘或合閘線圈放電，斥力盤因為線圈上的脈衝電流產生感應渦流，渦流產生的磁場與線圈脈衝電流產生的磁場相互作用，從而推動斥力盤以及連桿運動，實現分、合閘動作。

固態開關設計

固態開關的作用是待電流完全轉移到其中後接收控制命令關斷，最終實現無弧分斷。因此，固態開關必須選擇全控型大功率半導體器件，樣機採用的是壓接式IGBT。

壓接式IGBT 區別於傳統模組式IGBT，它的主要安裝方式採用壓接方式，一般集電極和發射極分別位於IGBT的兩端，柵極通過引線引出。壓接式IGBT的自身特點決定了其更適合併聯和串聯，均壓控制相對容易。

1.串聯設計

固態開關串聯的IGBT數量主要由混合型直流斷路器分斷電流時產生的最大過電壓決定。串聯IGBT器件本身的寄生參數以及柵極驅動信號的延時會導致串聯IGBT在關斷過程中，先關斷的器件會承受很大的過電壓，在開通過程中，後開通的器件會承受很大的過電壓。樣機中採用了RCD緩衝迴路作為串聯IGBT的均壓策略。

在每個IGBT上並聯一個RCD緩衝迴路，可以抑制器件端電壓的變化率，從而抑制開關瞬間的過電壓，防止器件因過電壓損壞。同時，緩衝電路可以抑制靜態電壓失衡。該電路結構簡單，易於實現。在進行裝配時，儘量降低IGBT主迴路和緩衝迴路的雜散電感，接線越短越粗越好。

2.並聯設計

固態開關並聯數是由混合型直流斷路器最大分斷電流能力和IGBT器件決定的，樣機最大分斷電流能力為10kA，該電流值已經進入了單個IGBT的退飽和區，器件將無法保證安全關斷。因此考慮採用兩並聯結構，再考慮到均流特性，單串IGBT流過的最大電流為6kA，可安全關斷。採用兩並聯結構雖然解決了IGBT關斷問題，但同時也帶來了均流問題。樣機從電氣結構及柵極驅動兩方面入手，設計時儘量做到並聯對稱性，從而降低電流的分布不均。

MOV設計

MOV的作用一是限制固態開關關斷瞬間會產生的過電壓，保護串聯IGBT，二是吸收系統中的短路能量。避雷器的殘壓Umov決定了固態開關IGBT 的串聯數。殘壓選擇越大，串聯的IGBT就越多，短路電流在避雷器上消耗到0的時間就越短；殘壓選擇越小，串聯的IGBT就越少，但短路電流在避雷器上消耗到0的時間就越長。因此，避雷器殘壓應根據斷路器額定電壓、成本等因素綜合考慮。

總結

依靠電弧電壓轉移電流的混合型斷路器能夠可靠、快速地分斷直流故障電流。在高壓套用場合，因串聯IGBT數量增加，必須增大電弧電壓才能可靠換流。增大電弧電壓的方法有：改變真空滅弧室觸頭材料；採用外加磁場；多斷口串聯。

此外，為降低整個斷路器分斷時間，可以進一步最佳化高速開關斥力操作機構的設計，縮短高速開關的分閘時間。