机械-电子混合式断路器实现高效解电路问题

将机械式断路器（Mechanical Circuit Breaker，MCB）和电力电子开关固态断路器（SolidState Circuit Breaker，SSCB）组合成混合式断路器（Hybrid Circuit Breaker，HCB），可使两者的优缺点互补构成较理想的新型断路器。图3-41a是1994年Takamu提出的由门极关断（GTO）晶闸管与机械型真空断路器构成的混合式断路器。正常运行工况时，线路电流i_L由MCB（通态）供电给负载，SSCB关断。当要分断电路时，同时发出MCB的关断信号和固态断路器SSCB的开通信号。一当MCB开始断开，MCB两端电弧电压使SSCB在电弧形成的正向电压下开始导通而分担部分线路电流，由于SSCB导电后通态压降仅几伏，这就使与SS_- CB并联的MCB两端触头间电压也被立即限制到几伏，在机械开关的触头分开时要维持触头间的电弧需要的电压比SSCB开通后的管压降（几伏）要高得多，所以一旦SSCB导通，机械开关的触头电弧会很快熄灭，此后MCB触头在熄弧情况下的几毫秒内迅速断开，线路电流从MCB全部转移到SSCB。当机械断路器的触头间耐压绝缘强度足以阻断电网电压时，应立即给固态断路器发关断信号，强迫关断SSCB，断开电路。图3-41a中的缓冲电路和限压元件氧化锌压敏电阻则抑制MCB断开、SSCB关断过程中由于线路或负载电感所引起的过电压，保护电力电子开关关断过程中免受由电感能量所引起的过电压。由于关断MCB时，电流转移到SSCB，MCB端电压低，电弧熄弧快，故切断线路故障电流的时间大为缩短，也使固态开关在短路电流还不很大时安全关断电路。由于故障后分断电流时间可快到1～2ms，这就需要准确快速的检测电路，使关断SSCB的信号能适时发出，为此C.W.Brice在图3_-41a结构基础上增加了正温度系数热敏电阻（PTC）。在换流的同时通过PTC限制固态开关上的电流，避免因不能快速检测故障大电流而损坏固态开关，同时也能在机械断路器触头分断距离的耐压强度足以阻断电网电压时，即时发出开断GTO的关断信号，减小关断时的故障电流。

图3-41 自然换流混合型断路器

除图3-41所示自然换流混合断路器外，也发展了如图3-42所示LC串联谐振换流的混合型断路器。

图3-42所示的谐振换流关断MCB的原理基于故障后电感电容LC串联谐振。图3-42a中正常工作时线路电流i_L经机械断路器MCB供电，i_M=i_L，晶闸管VT₁、VT₂为断态，若电流i_L、iM为图3-42a所示正方向发生故障，一旦检测到故障电流i_L的急剧增长，应对已处于通态的MCB发出关断指令，同时立即给图中的晶闸管VT₁发出触发开通信号，使谐振电流i_C经VT₁、C、L、VD₂再经MCB（R_r）串联谐振。当故障电流i_L与图3-42a所示方向相反时，则应触发开通VT₂，使反方向的-i_L经VT₂、C、L、VD₁再经MCB（R_r）形成谐振电路。在图3_-42中当故障电流流入A点时，VT₁被触发开通后，故障电流i_L=i_M+i_C，从A点i_L分两路，一路电流i_M经MCB，另一路i_C经VT₁、C、L、VD₂，i_M与i_C在B点汇和后，再从B点流出i_L=i_M+i_C到故障支路，检测到i_L方向触发开通VT₁或VT₂，又同时发出关断机械开关MCB的信号后，若MCB在其触头分离断开过程中电弧电阻为R_r，则谐振电流i_C的二阶微分方程为(www.xing528.com)

图3-42 采用GTO、LC谐振电路的混合型断路器

流过VT₁和LC的电流i_C按上式从零增大到i_C=i_L时，i_M=0，MCB电弧熄灭，MCB断流。此后i_L=i_C。在交流故障电流瞬时值过零时i_L=0，不再对VT₁（VT₂）触发开通，故障支路随即被阻断。在电弧存在的MCB关断期间及MCB关断后VT₁（VT₂）的关断过程中，图中的限压压敏电阻和缓冲电路电阻分别吸收部分能量，防止过电压损害开关管。