新型直流混合式斷路器開斷仿真分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u28920新型直流混合式斷路器開斷仿真分析案例概述 178661.1艦船直流供電系統(tǒng)概況 1227261.2新型混合式直流斷路器仿真模型搭建 2244731.2.1真空斷路器 2285221.2.2功率二極管 3188241.2.3其他元器件 3315351.3新型直流斷路器開斷特性仿真 5205171.4小結(jié) 7應(yīng)用上述模型計(jì)算進(jìn)行斷路器額定短路電流開斷的仿真。混合式直流斷路器故障電流的接通和斷開的物理現(xiàn)象變化過程是很繁瑣的，其性能、體積及成本與斷路器各模塊的參數(shù)有密切關(guān)系。本著方便分析的原則，本文以艦船直流電力系統(tǒng)為例，以艦船簡化的中壓直流系統(tǒng)為應(yīng)用環(huán)境，通過分析開斷過程中新型直流式混合式斷路器在不同時間段的等效電路和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行開斷特性研究。1.1艦船直流供電系統(tǒng)概況艦船上的直流電源大多數(shù)由兩部分構(gòu)成，一部分是蓄電池，另一部分是其充放電裝置。分配電能的方式主要有3種，一種是直流雙線絕緣系統(tǒng)，一種是負(fù)極接地雙線系統(tǒng)還有一種是以船體作為負(fù)極回路的單線系統(tǒng)，如圖1.1所示。[[][]胡俊,余峰,李加剛,等.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)建模與仿真研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2019,No.154(08):223-225.圖1.1艦船直流配電系統(tǒng)由此可知，當(dāng)一條直流供電線路只能由一個斷路器來進(jìn)行保護(hù)時，就都可以等效成如圖1.2所示的回路。電機(jī)、照明、通信等負(fù)荷是感性負(fù)載。圖1.2艦船直流系統(tǒng)簡化圖1.2新型混合式直流斷路器仿真模型搭建1.2.1真空斷路器真空電弧的燃弧機(jī)理認(rèn)為一般有三種：燃弧由介質(zhì)絕緣擊穿引起（擊穿燃?。煌獠扛邏好}沖觸發(fā)而引起的燃?。ㄓ|發(fā)燃弧）和觸頭執(zhí)行分閘操作時液態(tài)金屬電橋產(chǎn)生的電?。ㄩ_關(guān)分閘燃弧）。依照真空斷路器開斷電流的實(shí)際過程中所經(jīng)過的每一個階段，利用Breaker模塊代替真空斷路器的模型如圖1.3所示，Breaker模塊斷開即斷路器觸頭斷開。圖1.3真空斷路器模型1.2.2功率二極管二極管是具有單向?qū)щ娦缘膬啥嗽O(shè)備，其核心部分是PN結(jié)，在PN結(jié)的兩端添加電極引線然后在外面封裝外殼即可制作出二極管。二極管的結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。圖1.4二極管的結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中二極管的種類繁多，功能也是越來越全面，功率二極管是功能強(qiáng)大的一種二極管，其可用于整流、箝位和自由旋轉(zhuǎn)電路。除了高頻電路中使用的功率二極管的功耗和反向阻塞外，瞬態(tài)特性對電路的影響也不能忽略，需要一定的時間來開啟和關(guān)閉功率二極管。如果二極管偏置電壓的極性從前到后改變，二極管不能立即關(guān)閉。這需要很短的時間得到相反方向的阻止功能和熄滅。關(guān)斷前存在很大的反向電流，并且反向電壓過沖很大[]PANGYanqing,龐延慶,FANDeping,等.大功率晶閘管暫態(tài)過程分析及吸收回路的研究[C]//電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會,2016.[]PANGYanqing,龐延慶,FANDeping,等.大功率晶閘管暫態(tài)過程分析及吸收回路的研究[C]//電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會,2016.圖1.5二極管1.2.3其他元器件使用MATLAB/Simulink軟件搭建其他部件的仿真模型。振蕩開關(guān)回路RLC串聯(lián)模塊用于振蕩開關(guān)回路中，將電容電壓設(shè)置為預(yù)充電電壓值，二極管選用理想器件。SWITCH模塊取代TVS真空觸發(fā)空間，其封裝模型如圖1.6所示；圖1.6TVS的仿真模型SurgeArrester模塊代替壓敏電阻，其封裝模型如圖1.7所示。圖1.7壓敏電阻的仿真模型STEP模塊負(fù)責(zé)信號發(fā)送工作，系統(tǒng)接收到它產(chǎn)生的信號之后會對開關(guān)的動作時序進(jìn)行處理，并且能完成間隙的觸發(fā)。我們通常用恒壓源模塊來產(chǎn)生直流系統(tǒng)的電源電壓，該仿真過程中需要進(jìn)行短路故障模擬，我們使用理想開關(guān)模塊和負(fù)載并聯(lián)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)該功能。如圖1.8所示，搭建新型混合式直流斷路器的仿真模型時，我們根據(jù)每個模塊可以實(shí)現(xiàn)的功能和我們想要得到的仿真結(jié)果對仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[]YuanXF,ChengSJ.[IEEE2005/2006PESTD-Dallas,TX,USA(May21-24,2006)]2005/2006PESTD-SimulationStudyforaHybridMulti-terminalHVDCSystem[J].2006:720-725.[]YuanXF,ChengSJ.[IEEE2005/2006PESTD-Dallas,TX,USA(May21-24,2006)]2005/2006PESTD-SimulationStudyforaHybridMulti-terminalHVDCSystem[J].2006:720-725.圖1.8新型混合式斷路器在直流系統(tǒng)中的電路仿真模型1.3新型直流斷路器開斷特性仿真起始短路時刻即仿真時刻，設(shè)置0.02秒仿真時間，設(shè)置1e-6仿真步長。如表1.1所示為設(shè)定的有關(guān)仿真參數(shù)值。表1.1短路故障下混合式斷路器模型的仿真參數(shù)參數(shù)數(shù)值系統(tǒng)參數(shù)電源電壓（V）5000線路電阻（Ω）0.05線路電感（H）0.0005負(fù)載電阻（Ω）1.2負(fù)載電感（H）0.0045二極管參數(shù)正向?qū)▔航担‵）0.8反向恢復(fù)時間（s）0.001振蕩換流回路參數(shù)電容（F）0.001預(yù)充電電壓（V）5000電感（H）0.00005非線性電阻參數(shù)保護(hù)電壓（V）10000閥片數(shù)1參考電流（A）500動作時序參數(shù)系統(tǒng)短路時刻（s）0.005QS1、QS2開斷時刻（s）0.007TVS觸發(fā)導(dǎo)通時刻（s）0.01仿真結(jié)果如下圖1.9所示：各支路電流波形直流系統(tǒng)主電流波形主開關(guān)電壓電容電壓波形圖1.9新型混合式直流斷路器開斷短路故障下的仿真結(jié)果圖1.9（a）為發(fā)生開斷短路故障下新型混合式斷路器各條支路電流的波形，波形按順序?yàn)橹鏖_關(guān)QS1流過的電流，二極管D2流過的電流，主開關(guān)QS2流過的電流，電容C支路流過的電流，壓敏電阻支路流過的電流，以及主回路流過的電流波形。圖1.9（b）為直流系統(tǒng)主電流波形，1.9（c）主開關(guān)電壓在分?jǐn)噙^程的波形（d）為電容電壓波形。由圖可知，在0.005s時直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障，QS1、QS2在0.007s時斷開，同時電流從QS1的支路上迅速換流到二極管D2，在0.01s時電流從D2、QS2支路上換流到L1、C1振蕩換流回路上，在0.01022s時QS2斷開，L1、C1支路也緊接著斷開，最后在壓敏電阻的作用下電流在0.013s時減小到零，整個短路電流關(guān)斷順利地實(shí)現(xiàn)了。在這段時間內(nèi)，主開關(guān)兩端的電壓限制在約13kV以內(nèi)，放電過程和正向充電過程后的電容，電壓值最后保持在大約15kV。整個回路能在短短8毫秒時間內(nèi)把100kA預(yù)期短路