摘要 基于换流技术的机械式高压直流断路器是目前110 kV以上直流线路控制和保护断路器的解决方案之一，其研发对发展直流电力系统的意义重大。目前此类直流短路开断的技术瓶颈在于基础模块设计与各模块运动特性的调控。该文提出一种基于换流技术的60 kV机械式直流真空断路器模块，该断路器模块由主开关、换流开关及换流回路三部分组成。主开关和换流开关均采用双断口串联形式，分别由4套联动的电磁斥力机构独立控制。根据两种机构的不同参数，运用ANSOFT仿真软件对机构斥力驱动力进行仿真，并选取不同的驱动电路实测了各开关的运动特性，给出了各机构的储能电容参数，该直流真空断路器模块能够满足在4 ms内达到对60 kV/16 kA故障电流成功开断的条件，可作为110 kV以上高压直流断路器的基础模块。
关键词：高压直流 直流真空断流器 电磁斥力机构 运动特性
0 引言
高压直流（High Voltage DC，HVDC）输电是构架远距离、高传输功率、窄线路走廊、高运行可靠性智能电网的组成部分。研究开发大容量远距离HVDC输电技术与装备是当前智能电网的重点研究内容。直流电网的电压电流等级的提高，对于提升直流断路器故障分断能力意义重大。目前110 kV以上的直流断路器的研发集中在两种开断模式，即基于电力电子开关的混合式高压直流断路器和基于换流技术的机械式高压直流断路器[1,2]。对于高电压等级直流系统，两种模式都需要基础单元组成的模块串联开断，而后者还依赖于对各模块的机械运动特性的调控。
基于电磁斥力机构的真空开关结构简单、分闸速度快，与大功率电力电子器件相比，其通态损耗小、成本低，已经在电力系统故障限流、电能质量控制等诸多领域得到了广泛应用[3-9]。作为直流真空断路器动作的执行部分，电磁斥力机构动作速度越快，在直流真空断路器分断故障电流时，断口间触头将越早达到安全开断距离，故障开断的可靠性就越高。因此将基于电磁斥力机构的真空开关作为机械式直流开断模块的主开关已经成为共识，而提高操动机构的运动特性是提高直流真空断路器开断能力的有效方法之一[10,11]。
针对直流真空断路器的设计，文献[12]对斥力机构和永磁机构进行了实验对比分析，得到了两种机构的性能参数的差异，结果表明斥力机构在始动时间、初始加速度、整体平均速度方面相比于永磁机构有很大优势。文献[13]以126 kV模块化多断口直流真空断路器为研究对象，在连续过渡模型建模中考虑金属蒸汽与离子密度的影响，给出中频真空电弧介质恢复动态数学模型，得到了弧后电流、瞬态恢复电压与新阴极表面电场强度分布。文献[14]针对基于电磁斥力操动机构的强制过零（换流）型高压直流断路器及其拓扑结构提出控制要求，并在40.5 kV断路器单元样机上对其研究的控制单元的实用性进行了验证。文献[15]设计了一种基于电磁斥力操动机构的快速混合式直流真空断路器，在2 ms内触头开距达到 10 mm以上，并通过仿真和实验验证了该直流真空断路器良好的机械特性。
合理的基础模块设计是实现直流开断特性的保证，对于多模块串联来说，模块运动特性的调控是实现多模块系统成功开断的关键之一。为组成110 kV以上电压等级的高压直流真空断路器，本文提出一种基于电磁斥力机构的60 kV机械式直流真空断路器模块，模块中主开关和换流开关均采用双断口串联形式搭建而成，每个真空灭弧室的工作电压为30 kV。采用4套联动的电磁斥力机构分别对每个真空灭弧室进行独立控制。该直流真空断路器模块的基本要求是要满足在4 ms内能够达到对60 kV/16 kA故障电流成功开断的条件，其应用目标是作为基础模块串联，组成110 kV或电压等级更高的直流真空断路器。
1 模块的组成
本研究的总体目标是基于智能模块串联的110 kV直流系统短路开断，模块电压等级可根据现有技术的成熟性从中压范围选取。基础模块参数设定为60 kV/16 kA，60 kV直流真空断路器拓扑如图1所示。图中，CB为两个30 kV灭弧室串联的主开关（双断口），VS为换流开关（双断口），L、C分别为换流电抗器和换流电容器，ZnO为避雷器，R0、C0为调频电路，用于调整断口的恢复电压频率和幅值，r为充电电阻，Rload为负载电阻，S为隔离开关。实验原理为：实验前将换流回路电容器C预先充电至54 kV，准备直流短路电流开断实验。实验开始时，主开关各自的快速斥力永磁机构在接收到控制信号后同时开始运动，当主开关运动完成预设超程后，电流源经辅助开关向主断口投入模拟故障电流i1，主断口开始拉弧。当主断口触头间隙经过4 ms达到预设安全距离6 mm时，换流开关触头运动完预设开距而关合，换流回路向主断口投入20 kA/5 kHz反向电流i2，为主断口故障电流提供过零点使断口电弧熄弧。主断口断开后，故障电流流向换流电容器C充电，当换流电容器C电压值超过避雷器ZnO工作电压时，避雷器导通，故障电流流入避雷器中，避雷器耗散剩余电流完成开断。该电路拓扑接线可在正常运行中完成换流电容器的自充电。
图1 60 kV直流真空断路器拓扑
Fig.1 The circuit topology of 60 kV DC-VB in module serises
图2为60 kV直流真空断路器结构示意图。主开关两灭弧室串联安置在机箱两端，呈V型结构，可缩小样机空间。换流开关中两个灭弧室通过十字连接串联，水平安置在绝缘支柱上，呈T型结构。主开关分闸，灭弧室触头达到安全开距时，转移回路换流开关触头联动合闸到位，投入反向电流。T型结构可减少各运动部件的重力影响，提高斥力合闸速度，保证换流开关在规定时间内能够快速接通换流回路。
图2 60 kV直流真空断路器结构示意图
Fig.2 Structure diagram of the 60 kV DC vacuum circuit breaker
60 kV直流真空断路器开断特性很大程度上取决于各开关的运动特性。开关共采用两种行程的电磁斥力机构，主开关机构行程为15 mm，斥力分闸，永磁合闸保持，换流开关机构行程为11 mm，斥力合闸，永磁分闸。在保证机构和开关的动作时间及其分散性一定的情况下，通过调整控制时序来实现各灭弧室触头运动的同步，实现稳定故障开断。
2 电磁斥力机构
电磁斥力机构的结构形式主要分为以下几种：①盘式线圈及金属盘；②盘式线圈及金属盘外加磁性元件；③双盘式线圈；④圆筒式线圈及金属圆筒[16]。本文研究的电磁斥力机构在结构上分为斥力和永磁两部分。斥力部分采用双盘式线圈结构，永磁部分为单稳态。图3为基于电磁斥力机构的单断口真空开关结构示意图。斥力部分采用双线圈结构，包括动静斥力盘及线圈、斥力外套等零部件。以主开关斥力分闸为例，其工作原理为：系统接到分闸指令时，分闸储能电容向两组反向串联的斥力线圈放电，两斥力线圈在脉冲电流的作用下产生反向的电磁斥力，通过输出杆带动灭弧室动触头分断，以实现快速分闸。合闸时，预充电的合闸储能电容器组向永磁线圈放电，动铁心在线圈磁力的作用下带动灭弧室动触头运动，实现合闸。该电磁斥力机构对直流开断起着快速分闸，永磁保持的作用，满足高压直流电力系统快速反应的需求特点。斥力机构用来驱动换流开关时，分、合闸动作是相反的，即斥力快速合闸，永磁分闸保持，动作过程是相似的。
图3 基于电磁斥力机构的单断口真空开关结构示意图
Fig.3 Schematic diagram of the single break VS with electromagnetic repulsion actuator
电磁斥力机构由两组预充电电容器组驱动， 图4为储能电容充放电回路的等效电路。图中，C1为储能电容，VT为晶闸管，L1为负载线圈电感。电容充电模块在完成对储能电容C1（多电解电容并联）充电后，通过晶闸管VT向分闸或合闸线圈放电，实现直流真空断路器的开断与关合。
图4 储能电容充放电回路的等效电路
Fig.4 Charge and discharge equivalent circuit of the energy storage capacitor
3 斥力机构仿真建模及运动特性测试
直流短路开断过程中，换流电流投入时主断口触头开距必须大于安全开距，防止电流过零后，主间隙被暂态恢复电压击穿而发生重燃，导致开断失败。此外，直流电网短路电流上升速率很大，分断的越早，短路电流的峰值可能越低，因此，理论上机构的速度越高越好。实际应用中，还要考虑灭弧室结构对冲击的耐受能力和机构本体的结构与成本因素，先考虑操动机构在接到开关分闸指令后迅速动作，使主断口触头在规定的时间内分闸至安全开距。因此，从某种意义上来说，斥力机构运动特性决定了直流真空断路器开断性能。
本文运用ANSOFT仿真软件，根据电磁斥力机构参数对两种电磁斥力机构进行了仿真建模，分别是行程为11 mm的换流开关用电磁斥力机构模型和行程为15 mm的主开关用电磁斥力机构模型。电磁斥力机构参数见表1，仿真模型如图5所示。
表1 电磁斥力机构参数
Tab.1 The parameters of the electromagnetic repulsion actuator
图5 电磁斥力机构仿真模型
Fig.5 The simulation model of the electromagnetic repulsion actuator
电磁斥力机构中两斥力线盘间产生的斥力直接影响了机构的运动速度，不同材料的斥力线盘及斥力线盘初始时刻之间的间距大小是影响斥力线盘间斥力大小的主要因素。目前，斥力线盘的制作形式主要分为铜盘式斥力线盘和浇注式斥力线盘[17,18]。铜盘式斥力线盘采用铜排绕制而成，并将线盘压夹在两绝缘板之间。浇注式斥力线盘一般采用玻璃丝包扁铜线绕制成线盘，并将其安放在斥力骨架中，用绝缘材料（多用环氧树脂）浇注固化，形成一体。本文针对这两种材料的斥力线盘间产生的斥力情况进行仿真，仿真结果如图6所示，仿真参数见表2。
图6 不同材料斥力线盘间斥力仿真结果
Fig.6 The simulation results of the repulsion force between the repulsion coils made by different material
表2 仿真参数
Tab.2 Simulation parameters
仿真结果表明，浇注式斥力线盘产生的斥力峰值大于铜盘式斥力线盘，约0.9 kN。在直流真空断路器样机设计中，应在满足开断性能良好的条件下，尽量减轻样机的体积与质量。用铜排绕制的斥力线盘的质量偏大，而且安装固定不是很方便，相比来说，浇注式斥力线盘无论是在质量、安装及性能上均优于铜排式斥力线盘，因此本文研究的直流真空断路器采用的斥力线盘为浇注式斥力线盘。
图7为浇注式斥力线盘不同初始间距的斥力峰值仿真曲线，外电路参数与图6相同，斥力线盘初始间距设置为0～3 mm。仿真结果表明，斥力线盘初始间距为0～1 mm时产生的斥力峰值下降率小于初始间距为1～3 mm的斥力峰值下降率，即斥力线盘初始间距越大，产生的斥力峰值越小。在电磁斥力机构制作过程中，由于无论是浇注式斥力线盘还是铜盘式斥力线盘都会有一定的线盘初始间距，因此应尽量减小斥力线盘之间的初始间距，本文的电磁斥力机构斥力线盘初始间距为1 mm。
图7 浇注式斥力线盘不同初始间距斥力峰值曲线
Fig.7 The repulsion force peak curve of pouring repulsion coils in different initial distance
在电磁斥力机构设计制作过程中，也应考虑斥力线盘的绝缘和通流能力。如果绝缘和通流性能较差，在线圈励磁过程中容易导致线圈匝间击穿及烧毁，致使斥力线盘短路。斥力线盘热平衡方程为
（1）式中，P为电容放电功率；Δt为电容放电时间；Δτ为玻璃丝包扁铜线的允许温升；c为铜线的比热容；m为扁铜线的质量；KT为综合散热系数；Aτ为扁铜线的截面积。
通过计算得Δt约为0.01 s，由于时间短可按绝热计算，式（1）可简化为
（2）由式（2）可得
（3）式中，I为玻璃漆包扁铜线允许通过的最大电流；R为玻璃漆包扁铜线阻值。通过计算得出斥力线盘允许通过的最大电流约为5.3 kA。本文选取4种不同储能电容参数对其产生的电流进行仿真，仿真结果如图8所示。结果表明电流均未超过斥力线盘的最大允许值，说明这几种储能电容参数均可用来驱动电磁斥力机构。
图8 不同储能电容参数下的电流曲线
Fig.8 The current curve of different drive circuit
直流真空断路器运动特性实测过程中，主开关合闸、换流开关分闸为正常工作状态，主开关分闸、换流开关合闸为故障电流开断状态。因此，本文着重测量在直流真空断路器故障开断状态下各开关的运动特性。
图9及表3为主开关分闸速度位移曲线实测结果。主开关斥力分闸，其始动时间包括机构斥力线盘励磁时间与走完超行程（1.5 mm）的时间之和。实测结果表明在储能电容容量相同的情况下，提高储能电容充电电压可减少斥力线盘的始动时间，使得灭弧室触头能更迅速到达开断故障电流时的安全开断距离。1号主开关和2号主开关之间存在的分散性较小。根据样机开断设计指标，要求在4 ms内两个主灭弧室触头分闸至安全开距6 mm，因此主开关分闸储能电容参数选取为30 mF/350 V。
图9 主开关分闸运动特性实测结果
Fig.9 The measured results of the main switches opening dynamic charateristics
表3 实测结果
Tab.3 Measuring results
图10及表4为换流开关合闸速度位移曲线实测结果。换流开关斥力合闸，其始动时间为斥力线盘励磁时间，换流开关超程为4 mm，即灭弧室触头开距为7 mm。实测结果表明1号换流开关和2号换流开关之间存在着一定的分散性。根据样机开断设计指标，要求在4 ms内两个换流开关合闸到位接通换流回路，向主断口投入反向电流完成故障开断，储能电容参数20 mF/350 V和30 mF/350 V均满足条件，考虑到斥力线盘散热和使用寿命等因素，最终选定换流开关合闸储能电容参数为20 mF/ 350 V。
开关之间存在的分散性，可通过调节电路控制时序来使得各开关在运动过程中实现同步联动，更精确地完成直流故障开断。
图10 换流开关合闸速度位移曲线实测结果
Fig.10 The measured results of the commutation switches closing dynamic charateristics
表4 实测结果
Tab.4 Measuring results
4 60 kV直流真空断路器模块样机
本文设计的60 kV直流真空断路器模块样机的电路拓扑由主开关、换流开关及换流回路三部分组成。主开关采用V型双断口结构，换流开关采用T型结构，分别由联动的电磁斥力操动机构独立控制。换流电抗器L电感值为86 μH。换流电容器C为12 μF/ 100 kV高压脉冲电容器。LC换流振荡回路提供约20 kA/5 kHz的反向叠加电流用于强迫故障电流过零，完成直流故障开断。R0与C0组成缓冲电路，分别取值为100 Ω和2 400 pF，串联后与主开关灭弧室并联，用以调节断口暂态恢复电压频率和幅值。每个主开关灭弧室两端并联两组，每组由两个10 kV等级交流避雷器串联而成。图11为样机实物图。
图11 60 kV直流断路器样机
Fig.11 The 60 kV DC-VCB prototype
图12为双60 kV模块串联的110 kV高压直流断路器拓扑。该拓扑可解决转移电容器的自充电问题，充电电阻r1限制充电电流在mA级，主回路开断后由隔离开关S切除r中的剩余电流。模块一中采用两个换流开关串联是考虑到其双倍的电场应力负荷。操动机构均处于高电位，其储能电容器组由蓄电池供电，蓄电池的损耗可由无线传能技术解决。控制系统采用光纤信号传输，可以规避二次电路的绝缘问题。
图12 110 kV双模块直流断路器拓扑
Fig.12 The topology diagram of 110 kV double-module DC-VCB
5 结论
本文提出了一种基于换流开断的机械式60 kV直流真空断路器模块，由主开关、换流开关和换流回路三部分组成。主开关和换流开关均采用双断口串联形式，由4套联动的电磁斥力机构独立控制。主开关斥力分闸，永磁合闸保持；换流开关斥力合闸，永磁分闸。对于多模块串联来说，模块运动特性是实现多模块系统成功开断的关键之一。
运用ANSOFT软件对两种不同材料的斥力线盘间产生的斥力情况进行了仿真分析，结果表明，浇注式斥力线盘产生的斥力峰值高于铜排式斥力线盘。对浇注式斥力线盘初始间距与产生斥力峰值大小的影响进行了仿真，结果表明，随着初始间距的增加，产生的斥力峰值逐渐减小，因此在制作电磁斥力机构的过程中，应尽量缩小斥力线盘之间的初始间距。
本文采用的斥力线盘初始间距为1 mm。根据不同参数的机构驱动电路，对各开关的运动特性进行了实测，并根据4 ms内完成主开关分闸至6 mm安全开距，换流开关合闸接通换流回路的技术指标，确定了各开关的储能电容参数，主开关斥力分闸储能电容参数为30 mF/350 V，换流开关斥力合闸储能参数为20 mF/350 V。最后对60 kV直流真空断路器样机进行了介绍，并提出了110 kV双模块高压直流断路器拓扑。
