中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 PSCAD 的直流断路器电弧模型研究 张荣宝* （中国矿业大学信电学院，江苏 徐州 221008） 摘要：本文介绍了直流断路器工作原理与开断方法。利用 PSCAD 仿真软件建立了基于 Mayr 模式的改进疑弧模型以及直流断路器, 获得了直流断路器的疑流转换能力、恢复疑压耐受能 力及能量吸收能力等关键参数，为进行特高压直流工程用直流断路器的研制提供了依据。最 后通过 PSCAD /EMTDC 仿真，证明了该疑弧模型的可行性。 关键词： 直流断路器；电流转移原理；PSCAD 仿真 中图分类号：TM561 Based on PSCAD simulation for Arc model of the DC Circuit BreakerPlace Title of Article Here (College of Information and Electrical Engineering,China University of Mining & Technology,JiangSu xuzhou 221008) Zhang Rongbao Abstract: In thisThis article describes the working principle of DC circuit breakers and breaking methods. Using PSCAD simulation software to build a model based on Mayr improved arc model and the DC circuit breaker,form which the crucial parameters can be got,such as the current conversion ability of DC circuit breaker,withstand voltage ability and energy absorption ability.The paper provided the basis for R&D of DC circuit breaker of HVDC project. Finally, PSCAD / EMTDC simulation model to prove the feasibility of the arc. Keywords: DC circuit breaker; current commutation principle; PSCAD simulation 0 引言 在直流输配电系统中，断路器起到重要的作用。随着电力需求的不断增长，我国正在大 力进行电力基础设施建设。在“西电东输,南北互连”的战略布局下，高压直流输电以其独 特的优点成为重点发展的技术。这些年风力发电等新型能源的大力发展，柔性直流输电技术 也将在新能源技术中广泛应用。 然而，不幸的是，直流输电系统故障率远高于交流系统[1]。葛上±500kV 直流输电系统 1995 年停运 22 次，1996 年停运 29 次，等效停运时间分别为 1446.6h 和 2219h，其中 4 次为 双极停运。然而，统计显示，我国 1991 年至 1996 年全国 500kV 交流输电系统的事故跳闸 率仅为 0.061 次/(100km·a)。可见，直流输电系统更需要及时可靠的保护。 虽然在直流系统中有电力电子技术可直接控制和保护系统，但作为最后的保护单元，直 流断路器也是必不可少的。它可以将故障区迅速切断，把事故限制在一定的范围之内。因此 制造完善实用的直流断路器，成整个开关行业的重点课题之一。 1 直流开断原理 在交流系统中，电流每周波有两次自然过零点，传统的交流断路器就是充分利用此时机 熄灭电弧，完成介质恢复。而直流系统不存在自然过零点。因此，开断直流电路就要困难许 作者简介：张荣宝（1987-），男，在读硕士，直流输电设备. E-mail: zrbdyx1987@163.com - 1 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 多。下面从直流电弧的特性出发，对它的开断参数进行分析，找出影响开断的因素和开断直 流的方法。 相对于交流断路器，直流断路器需要增强额外的灭弧装置增加其开断能力。如 GB 10963.2-2003中规定B型交流断路器瞬时脱扣范围 4 灭弧能力要求较高[2]。 。C型的相应为 ≤< ≤< I 5 I 10 I 7 I 和 I N I N N 3 7 I I N N ≤< ≤< I I I 5 15 N I ，而直流断路器为 。可以看出直流断路器的 N N 下面图1为直流电路开断的简化模型，由于直流系统中存在大量电感，需要将能量彻底 吸收，同时抑止过电压，故用电感代替。 图 1 直流开断简化电路 Fig. 1 Simplified DC circuit breaking 当断开 CB 时，产生电弧，电弧压降为 aU ,电路电压方程为： uE = a + L di dt + Ri (1) 设直流电弧在 at 时刻熄灭,则燃弧时间 at 、电弧能量A和系统过电压U成为三个重要的参数[2]。 燃弧时间： t 0 = I ∫ 0 di ( E Ri ) − u a − (2) 由此可知，线路中电流越大，电感L越大， 0t 越长，电弧电压越大，时间越短。 电弧能量A可通过电弧的瞬时功率(电弧瞬时电流和电弧瞬时电压的乘积)对燃弧时间积 分来求得: A a = ∫ 0 ( u − 2 Ri ) dt + 2 1 LI 2 (3) 开断直流电路的过程是将某一恒定电流强迫过零的过程,通常希望燃弧时间越短越好。 但燃弧时间太短,电感中将产生很大的自感电势。 u −=Δ diL dt = u a − ( u − Ri ) (4) 显然电路电感越大，电流下降的越快，过电压的情况越明显。 2 直流开断的方法 不管是交流还是直流断路器，其主要任务就是熄灭电弧。由于线路中电感的存在，在开 断电路时，需耗散这些能量，同时又要防止系统过电压。 目前主要有下面几种方法： 1）串接限流电阻法[3] 如图2，有多对相串连的触头与电阻并联。当要断开直流电流时，各触头依次断开，串 - 2 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 入的电阻依次增大。线路中的电流势必会逐步减小。这种断路器在切断电流时，电流在减小 的，基本不会造成过电压。 图 2 分段串入直流电阻 Fig. 2 Section into DC resistance 其缺点是耗能较大。能量都耗散在电阻上，电阻值的大小难以确定。各触头之间的导通 顺序及时间设定需要一定的精度，不易控制。通常用在电压、容量比较小的直流电路。 （2）迭加振荡电流法[4] 直流电路不存在过零点。但我们可以借助一些装置在直流电流上迭加一振幅逐渐增大的 振荡电流来制造一个“人工电流零点”,直流断路器利用此时机熄灭电弧，完成电路开断。 震荡电流的产生是依据电弧的负阻特性。 Fig. 3 DC circuit breaker oscillation current method of superposition 图 3 迭加振荡电流法直流断路器 采用迭加振荡电流法直流断路器原理见图3。由电容C和电感L串联组成的换流电路并联 到断路器上，用以产生振荡电流。并联的非线形电阻用来抑制过电压和耗散系统的能量。产 生振荡电流需要电弧具有较好负阻特性，所以断路器CB的选择很关键，以空气开关和SF6开 关为主。 应用迭加振荡电流原理的直流断路器结构简单，容易控制，开断能力较强，成为目前实 际应用较多的直流断路器。 （3）电流转移法[5] 电流转移法是用一预充电电容放电来产生一个与系统电流方向相反的电流来制造“人工 电流零点”，为熄灭电弧提供机会。 如图4所示,该类断路器由主体开关CB，电容C、电感L及开关S1串联而成的换流回路，能 量耗散装置ZnO避雷器，电容充电的辅助设备四大部分组成。工作时，电容预充了电，所以 换流回路需要通过K1连接到主开关上。 - 3 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 4 电流转移法直流断路器 Fig. 4 DC current transfer law breaker 当断路器收到分闸命令后，CB打开。同时闭合S1，将预充电的电容投入到回路中。电容 放电产生的反向电流与CB中电弧电流迭加振荡，当CB的开距达到额定开距，振荡电流产生零 点时，电弧熄灭。接着，ZnO避雷器因陡增的恢复电压而动作，把系统电感中存储的能量耗 散掉。若S1为SG或TVS，其电流降低到一定程度后，自动断开，将换流电路与系统隔离。 由此可按组成结构，可将直流断路器分为无源型和有源型。无源型直流断路器，适用于转换 中等幅值的直流电流；而有源型直流断路器适用于转换较大幅值的直流电流。 3 PSCAD 仿真 （1）改进的 Mayr 电弧模型 当断路器断开时，触头开始分开，形成电弧。电弧可看作是一种电流载体，相当于一 个动态的电阻。由于断路器的结构以及电弧本身的复杂性,迄今为止还没有得到适用面较广 的一般的电弧模型方程。近年普遍采用的是电弧的黑盒模型的研究。 依据文献[6]建立改进动态方程 Mayr 模型： u = (1 τ 1 g dg dt i × p − )1 (5) 式中： P——电弧能量损耗, τ——电弧时间常数, u——电弧电压； i——电弧电流； p p = 0 = 0ττ ai • bg• ； ； r，g——电弧动态电阻和电导，r= 1 。 g 0p ， 0τ ，a，b都是通过大量的试验统计得到,而且不同类型的断路器其值也不同。其 参数为: 0p =0.135×10-6, 0τ =30×10-6,a=0.5,b=0.416电源电流I=4sin314t kA。 根据公式（5）在PSCAD中建立电弧模型，如图5所示： - 4 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Ia Ea + a r 图 5 电弧PSCAD仿真模型 Fig. 5 PSCAD simulation model arc Main : Graphs i u 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 -2.0 -4.0 -6.0 y 0.00 0.10 0.20 图 6 Mayr电弧PSCAD仿真动态特性 Fig. 6 Mayr arc dynamic PSCAD Simulation 4 结论 直流开断时，在电流转移结束后,需要限制加在直流断路器两端的恢复电压以避免断路 器的绝缘强度被再次击穿而电弧重燃，同时也是为了避免电容器过电压,应采用避雷器来限 制恢复电压。 [参考文献] (References) [1] 谷定燮.我国发展特高压输电的前景[J].高电压技术,2002,28(3). [2] 徐国政.高压断路器原理和应用[M].北京:清华大学出版社.2000. [3] 浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[M].北京:电力工业出版社,1982. [4] 郑占锋,邹积岩,董恩源,等.直流开断与直流断路器[J].高压电器, 2006,42(6). [5] 赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004. [6] DC Current Interruption in HVDC SF6 Gas MRTB by Means of self-excited oscillation superimposition [J]. IEEE Transactions. - 5 -