浅谈一种固态断路器的设计

浅谈一种固态断路器的设计

张帆

广州白云电器设备股份有限公司 510460

摘要：断路器是电网系统中不可缺少的设备，它起到控制和保护电网安全运行的作用。目前国内常见的断路器类型有真空断路器、六氟化硫断路器、空气断路器等，这些传统地断路器都是采用机械机构来实现合闸与分闸动作。固态断路器(Solid State Circuit Breaker，英文简称SSCB) 主要依托于现代电子技术，通过无触点开关实现对电流回路的开启和闭合。

关键词：固态断路器；混合固态断路器；直流断路器

20世纪60年代由美国通用电气公司开发出晶闸管产品，晶闸管可以通过较小触发电流(电压)，控制其导通或关断。利用晶闸管能在高电压、大电流条件下工作，其工作过程可以控制，并且具有开关性能这些优点，在其面世后被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。由此孕育出一些用电力电子器件作开断元件的特殊断路器，因这种断路器中没有机械运动部分，所以称为固态断路器（又称静态断路器），由于受制于电力电子器件本身的缺陷限制和昂贵的价格，固态断路器的发展较为缓慢。进入21世纪后随着科技的不断进步，电力电子器件的技术方面也取得了很大的成功，旧的电力电子器件逐渐地被淘汰，同时更好、更完美的新型电力电子器件不断涌现，其中就包括全控型电力电子器件GTO和IGBT。近几年国内外不少科研机构和企业采用GTO和IGBT作为开断载体研制固态断路器逐渐成为新的发展方向。

固态断路器基于半导体属性，与传统机械式断路器相比具有以下优点和缺点：

1. 固态断路器的优点

a. 无触点、通断速度极快（时间<1ms）。

b. 断开是无电弧，电气寿命长（理论上不受次数限制）。

2. 固态断路器的缺点

a. 电能损耗较大，体积庞大。

b. 分断短路电流能力低。

近几年随着国内风力发电、光伏发电、地铁及轻轨市场发展迅速，对于直流供电系统（如新能源发电系统、轨道交通供电系统、船舶供电系统等）中直流断路器的要求也越来越高。传统的机械式直流断路器存在灭弧能力低（直流系统没有自然过零点），电气寿命短的缺点，而固态断路器则具有上述优势，满足市场对于直流断路器的要求。目前常见的设计结构形式为纯固态式和混合固态式。

纯固态式断路器是指全部由电力电子器件串并联构成的，通过这些器件的开启和闭合完成对正常回路中电流的开断控制。其主要结构由电力电子开关模块、主控模块、电源模块、冷却保护模块以及信号处理模块五大部分组成。其缺点是电力电子开关模块接通电流后功耗高，造成断路器温升过高问题，为解决这个缺陷必须配置专用冷却系统。另外纯固态式断路器无断口，在使用时必须配合隔离开关产生明显断口，以便于线路检修。

混合固态式断路器是指将固态断路器与传统机械式断路器并联相结合一起的断路器。其主要结构由机械开关单元、电力电子开关模块、主控模块、电源模块以及信号处理模块五大部分组成。其工作原理是当电力系统正常运行时，电力电子开关模块断开，机械开关单元闭合完成导电通流任务；当人为操作机械开关单元分闸或电路发生过载及短路故障时，在分闸或跳闸启动同时给电力电子开关模块发出导通脉冲信号；随后机械开关单元分闸，电流在电弧电压的作用下经过一定的时间全部转移至电力电子开关模块，经一定延时（一般为2～5ms之间）电力电子开关模块再断开。混合式有效地综合了传统机械式接通时电能损耗小，纯固态开断速度快等优点与一体，其缺点是机械断路器与电力电子开关模块之间相互转换的控制要求极高，控制单元开发设计难度大。

         纯固态原理图                      混合固态原理图

结合上述理论研究及学习，我司在2022年申报了一种固态断路器的实用新型专利，专利号：ZL 2022 2 0676495.X 。本项专利的固态断路器采用混合固态结构，其原理图如下：

原理图

本项专利的主要特点是通过巧妙的结构设计，利用电力电子器件快速零电弧切断电流的优点，协助机械式断路器切断短路电流的原理将电力电子器件与普通的机械式断路器简单快捷的结合在一起，发挥各自的优势，提升断路器的使用寿命和技术参数。具体结构设计见图如下：

结构图

目前此款固态断路器还在样机试制过程中，其具体技术参数指标还待后续试验测试验证。

综上所述，虽然目前固态断路器还存在不少缺点和技术难点，但其作为直流断路器具有传统机械式无法媲美的优势。随着直流配电系统应用越来越广，电力应用市场对于直流断路器的要求也越来越高，固态断路器将会成为行业内新的研发热点之一。