高压断路器实验报告「变压器泄漏电流」

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固态断路器是基于电力电子元件的新型无触点开关器件，具有体积小、使用寿命长、动作速度快等特点，能够在故障电流上升到危害电力设备前就能将故障线路切断。固态断路器的快速动作以及高截流的特性使得其在开断时，固态断路器的两端以及所在线路上的其它电力设备都将承受操作过电压。

本文分析了固态断路器在10kV配电网环境中过电压的产生的原因及大小，对集中参数过电压等效模型进行理论推导，并应用仿真软件对分布式参数等效模型进行仿真，以验证集中参数等效模型在分析固态断路器过电压的有效性。

固态断路器是在大功率电力电子元件的基础上发展起来的，与传统机械式断路器相比，固态断路器的主要元器件是大功率电力电子器件，结构上的显著特点是无触点，不需要灭弧等措施。

由于开关功能是通过控制电力电子器件的门极信号实现的，因而具备了动作速度比基于机械结构的传统断路器更快的优点，能够适用于需要频繁开断的场合，如投切用于无功补偿的电容器组；在线路发生短路故障的情况下，能够在故障电流未显著上升、电网电压崩溃前将故障区域隔离，极大地降低短路故障对线路和设备的危害，从而提高了用户供电的可靠性。

同时，固态断路器的还具有使用寿命长，维护简单，容易实现智能化等一系列优点。近年来，随着智能微型电网提出与研究发展，固态断路器以其快速动作，易于实现智能化等特性成为新的研究热点。

传统断路器通过金属导体的接触与脱离来实现电流的导通与关断；固态断路器是无触点开关设备，与传统断路器所不同，其导通与关断通过对半导体功率器件内部的载流子以及载流子的通道的控制来实现：在导通状态，器件内部形成载流子通道，载流子被大量激发，器件导通电流的能力增强；在关断状态，器件内部的载流子通道消失，正负载流子相互湮灭，器件阻隔电流的流通。

功率半导体开关器件是固态断路器实现线路导通与关断的核心器件。以基于IGBT的固态断路器为例，其基本单元结构如图1所示，可通过基本单元的串并联来提到固态断路器的截止耐压等级以及开断容量。

图1 固态断路器的单元结构

固态断路器可以在得到动作信号后1us左右迅速动作，远快于传统断路器动作时间。固态断路器能够迅速截断故障电流，由于没有触点，不会产生电弧以及发生电弧重燃等情况，从而提高电网的稳定性与可靠性，但同时也会产生截流过电压严重隐患；电力系统对三相固态断路器的三相同期动作的需求也不可避免地使得三相固态断路器对某些相电流进行截流，同样会产生截流过电压。

由于固态断路器是基于电力电子元件的电器，对过电压的敏感程度较传统的机械结构的断路器要高，如果过电压高于固态断路器的耐压值，固态断路器内部的电力电子元件将会被击穿，固态断路器将会损毁。本文对固态断路器截流过电压的集中参数等效模型进行分析，推导出该模型下的暂态过电压的数学表示，并通过分布式参数模型的仿真结果进行验证。

图6 分布式参数仿真框图

当截断正常负荷以及短路情况下的电流时，电流越大，断路器两端产生的过电压越大，因此，在必须截断大电流的情况时（如短路情况），应该在采取限流措施后再进行截断。如基于IGBT的固态断路器可以先通过降低栅极电压限制IGBT源漏极通过的电流后再进行截流。

对于正常情况下的单相断路器操作，应在电流过零点时将电流截止。为了进一步降低固态断路器过电压的幅值，应在电力电子器件两端并联压敏电阻MOA以及RC阻容吸收电路，此时开断瞬间开有一定的泄放电流通过，能够进一步降低过电压的幅值。

本文建立的集中参数过电压等效模型能够得到在极端的情况下精确地计算出固态断路器所承受的过电压幅值的大小以及持续时间，对固态断路器串联单元个数的确定以及过电压防护措施等后续研究具有一定的指导意义。

（编自《电气技术》，原文标题为“固态断路器的过电压分析”，作者为金鑫、张明锐。）