大连理工学者提出一种用于配电系统的新型机电混合断路器拓扑结构
传统机械开关动作时存在以下暂态过程：开断过程除了燃弧阶段会烧蚀触头，降低开关使用寿命外，弧后阶段的弧隙在介质恢复（DR）过程与暂态恢复电压（TRV）竞争的作用下容易发生重燃，降低故障开断的成功率。在关合过程中常见的触头弹跳与预击穿，可能产生涌流和暂态过电压，同样威胁电力系统的安全。
另一方面，随着电力电子器件的发展，晶闸管投切电容器组、模块化多电平换流器、柔性多状态开关、零点投切等技术在电力系统领域展现出很好的发展势头。但电力电子器件存在的通态损耗及单元工作电压偏低的问题，困扰其在电力系统领域中的应用与推广。为了结合两种开关的优势，取长补短，研究人员提出了机电混合断路器的新思路。
但有关交流应用场景下的混合开关大多为简单机械断口，电气性能参数水平有限，多用于低载荷的变压器有载分接开关及配电网无功补偿电容器投切开关等占比很小的一些应用，其控制电流和电场应力都比较小，无法应用于量大面广的配电断路器领域及中高压输电线路的大容量无功补偿。
新型机电混合断路器结合了机械式开关与电力电子器件各自的优势、克服二者的短板。为降低传统机械式断路器动作过程产生的触头烧蚀、暂态恢复电压与介质恢复过程的竞争、关合涌流等暂态过程的影响，大连理工大学的郭兴宇、黄智慧、梁德世、邹积岩，在2022年第24期《电工技术学报》上撰文，提出用于配电网的机电混合断路器新的拓扑结构，在中压断路器范围内实现无暂态分合闸操作。试验结果表明，新型机电混合断路器的零区过程由并联二极管主导，真空灭弧室可以实现微弧甚至无弧开断，化解了真空开关熄弧重担。
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图1 新型机电混合断路器拓扑结构
该用于配电网的新型机电混合断路器由双断口真空灭弧室并联背靠背整流二极管组成，拓扑结构操作灵活，保留了两种开关各自的优点，采用二极管可以无需控制单元实现电流转移过程，应用真空灭弧室可达到中压配电断路器等级的性能参数。
图2 新型机电混合式断路器样机
研究人员表示，该新型机电混合断路器正常工作状态下真空灭弧室导通电流，通态损耗可以忽略不计；合分闸操作时电流转移到二极管回路，零区过程由并联二极管主导，可以实现系统的双向无暂态分合闸操作，有效降低触头烧蚀、弧后DR与TRV的竞争、涌流等暂态过程，提高灭弧室的电寿命及开断成功率。
表1 新型机电混合断路器样机参数
他们发现，新型混合断路器的电流转移特性与二极管参数相关，存在饱和效应。本实验条件下当机电混合断路器样机中电流转移峰值达到3倍额定值时电流转移率开始减小，达到5倍额定值时电流转移趋向于饱和。但由于较高的电流瞬时值对应更长的过零时间，零点附近的电流下降率小于电流转移率，因此对转移10kA以下工频电流的实际影响并不大，均能实现无暂态开断。
研究人员指出，该拓扑结构在典型参数下能够实现10kA短路电流的微弧甚至无弧分断，断路器的机电混合模式对电力开关的发展具有重要意义。
本文编自2022年第24期《电工技术学报》，论文标题为“新型机电混合断路器及其电流转移过程分析”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。
