电弧电压固态开关设计

固态开关的作用是待电流完全转移到其中后接收控制命令关断，最终实现无弧分断。因此，固态开关必须选择全控型大功率半导体器件，样机采用的是压接式IGBT。

压接式IGBT 区别于传统模块式IGBT，它的主要安装方式采用压接方式，一般集电极和发射极分别位于IGBT的两端，栅极通过引线引出。压接式IGBT的自身特点决定了其更适合并联和串联，均压控制相对容易。

1.串联设计

固态开关串联的IGBT数量主要由混合型直流断路器分断电流时产生的最大过电压决定。串联IGBT器件本身的寄生参数以及栅极驱动信号的延时会导致串联IGBT在关断过程中，先关断的器件会承受很大的过电压，在开通过程中，后开通的器件会承受很大的过电压。样机中采用了RCD缓冲回路作为串联IGBT的均压策略。

在每个IGBT上并联一个RCD缓冲回路，可以抑制器件端电压的变化率，从而抑制开关瞬间的过电压，防止器件因过电压损坏。同时，缓冲电路可以抑制静态电压失衡。该电路结构简单，易于实现。在进行装配时，尽量降低IGBT主回路和缓冲回路的杂散电感，接线越短越粗越好。

2.并联设计

固态开关并联数是由混合型直流断路器最大分断电流能力和IGBT器件决定的，样机最大分断电流能力为10kA，该电流值已经进入了单个IGBT的退饱和区，器件将无法保证安全关断。因此考虑采用两并联结构，再考虑到均流特性，单串IGBT流过的最大电流为6kA，可安全关断。采用两并联结构虽然解决了IGBT关断问题，但同时也带来了均流问题。样机从电气结构及栅极驱动两方面入手，设计时尽量做到并联对称性，从而降低电流的分布不均 。

混合型直流断路器中IGBT阀组的分断时间是微秒级的，因此，直流断路器的分断时间主要是受高速开关的影响。近些年，电磁斥力机构作为一种高速操作机构被广泛研究。高速开关的操作机构也采用电磁斥力机构，能够在3ms内快速分闸成功，从而大大缩短整个直流断路器的分断时间。

其工作原理是：预先充电的储能电容向分闸或合闸线圈放电，斥力盘因为线圈上的脉冲电流产生感应涡流，涡流产生的磁场与线圈脉冲电流产生的磁场相互作用，从而推动斥力盘以及连杆运动，实现分、合闸动作。

高速开关的电弧电压决定了故障电流转移的时间，研制的高速开关断口采用的是17.5kV真空灭弧室。真空电弧有10kA 以下的扩散型和10kA以上的集聚型两种形态。混合型断路器电弧电流一般只有几千安，属于扩散型电弧。对扩散型真空电弧电压起主导作用的是阴极压降，而阴极压降主要由触头材料决定。触头材料的沸点温度与热导率的乘积越大，阴极压降越高。因此为提高电弧电压，缩短电流换流时间，可以选取高沸点和热导率的触头材料。除此之外，也可通过外加磁场的方式提高电弧电压，电弧电压最高可达数千伏。

高速开关采用的是宝光真空灭弧室厂生产的17.5kV/1.250A 的真空灭弧室，触头开距为（9±1）mm，运动部分质量为1.1kg。当电流从4kA增大到10kA时铜钨触头的真空电弧电压基本在30V左右保持稳定，当电流下降时电弧电压有所降低。

多端高压直流输电系统由于电压等级高、线路阻抗小，一旦发生线路短路故障，将很快影响到直流输电网络和交流网络，必须迅速切除故障。高压直流断路器动作速度快，能够最大限度地减小故障持续时间或抑制故障电流，减小故障对交/直流输电网络的冲击。尽管如此，高压直流断路器的发展并不需要等待高压直流输电网的全面出现。大多数输电方案为高压直流点对点连接，高压直流断路器在线仍然可以发挥作用。除了功率转换，高压直流换流站同时还可以通过无功功率控制来提高交流网络稳定性。发生故障时，如果换流器能够迅速地与高压直流输电线路断开，那么换流站可以直接进入独立运行状态，作为静止同步补偿装置（STATCOM），继续为交流网络的稳定性提供支持 。

MOV的作用一是限制固态开关关断瞬间会产生的过电压，保护串联IGBT，二是吸收系统中的短路能量。避雷器的残压Umov决定了固态开关IGBT 的串联数。残压选择越大，串联的IGBT就越多，短路电流在避雷器上消耗到0的时间就越短；残压选择越小，串联的IGBT就越少，但短路电流在避雷器上消耗到0的时间就越长。因此，避雷器残压应根据断路器额定电压、成本等因素综合考虑。

依靠电弧电压转移电流的混合型断路器能够可靠、快速地分断直流故障电流。在高压应用场合，因串联IGBT数量增加，必须增大电弧电压才能可靠换流。增大电弧电压的方法有：改变真空灭弧室触头材料；采用外加磁场；多断口串联。

此外，为降低整个断路器分断时间，可以进一步优化高速开关斥力操作机构的设计，缩短高速开关的分闸时间 。2100433B

稳定状态下焊接电弧的电流、电压特性，称作电弧静特性曲线。

电弧静特性的特征：

⑴在小电流区，电弧电压随电流的增大而减小，呈现负阻特性。

⑵当电流稍大时，电弧电压自动维持一定的数值，保证产热量与散热量的平衡，在电弧静特性曲线上出现一定区间内的平特性特征。

⑶在大电流区间，电弧电压随电流的增加而增加，呈现正特性。

影响电弧静特性及电弧电压的因素：

⑴电弧长度

⑵保护气成分

⑶电极条件

⑷母材情况

⑸保护气流量、环境温度、焊接电流形式