固态断路器 - 老李百科

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=====固态断路器=====
''用晶闸管器件作开断元件的特殊断路器''
20世纪70年代末出现了一些用晶闸管器件作开断元件的特殊断路器，由于这种断路器中没有机械运动部分，所以又称为固态断路器(SolidStateCircuit Breaker，SSCB)。最早的固态断路器包括两种基本类型：在电流第一次自然过零时开断的单环断路器；以及在电流第一次自然过零之前通过转移回路产生人工高频零点而开断的限流断路器。由于晶闸管型的固态断路器只有过零才能开断，开断延迟较大不能准确控制开断时刻，而人工过零又需要研究相应的配套技术并增加电流转移回路的投资。但近年来自关断器件(如GTO、IGBT等)的出现给固态断路器的发展带来了新的转机，可以准确控制开断时刻并能解决故障电流的限流开断问题。

====介绍====
固态断流器（Solid State Circuit Breaker）主要依托于现代电子技术，通过无触点开关实现对断路器操动速度和准确性的控制。可以说固态断路器集合了微电子技术、现代通信技术以及传感器技术等多种高端技术，对于固态断路器的研究，有助于提升我国输电线路稳定性和电网数字化管理的整体水平，同时也是断路器智能化、现代化发展的主要方向。

====固态断流器结构特征====
断路器是负责开合和断开正常回路状态下的电流，并能闭合、承载在规定时间内异常回路状态下电流的开关装置。可以说断路器是维护电力电网安全、可靠运行的核心环节。\\
通常情况下，断路器主要结构可以分为操动机构和灭弧室组成，通过操动机构带动灭弧室的触头进行开启、闭合动作，从而达到断开和承接电路的目的。现阶段，断路器常用于110k V 及以上电压等级，在高压输电系统中有着非常广泛的应用。我国目前主要应用的断路器有油控断路器、真空断路器以及 SF6 断路器等，其中真空断路器常应用于中低压等级的输电系统。传统断路器工作流程如图1所示。
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固态断路器是断路器智能化形式之一，主要结构可以分为开关模块、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。固态断路器主体结构如图2所示。
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1.1 开关模块\\
固态断路器的开关模块主要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。\\
1.2 主控模块\\
主控制模块是固态断路器的中枢，主要由单片机配合驱动电路、液晶显示屏及键盘进行工作。首先对通信模块传输来的数字模拟信号进行逻辑运算，输出符合预设保护特征的电平信号，电平信号经过放大器放大，驱动固态断路器电力电子器件的开启、闭合动作。\\
1.3 电源模块\\
用于给主控模块、信号处理模块以及驱动模块提供工作所必需的电能。\\
1.4 冷却保护模块\\
固态断路器的冷却模块主要用来吸收电子器件散发出的热量，最大限度的减少对电子器件造成的热损伤。主要由电阻并联二极管，然后再与电容串联组成，分别位于电力电子器件的两端。\\
1.5 信号处理模块\\
信号处理模块主要是对主线路中的电流信号进行检测和处理，去除无用信号，然后将其转换成可供传输利用的数字模拟信号，并传输到主控制模块中。\\
====应用现状====
固态断路器大功率化的应用\\
现阶段，我国对于固态断路器的应用，仅限于额定电流较低的情况，但是由于电网规模的不断扩大，电流容量进一步增加，使得固态断路器大功率化的研究已经成为一种趋势。但就目前来看，对于固态断路器驱动脉冲信号的同步控制以及电压、电流均衡化处理，依然存在很多不完善的地方。首先对于驱动脉冲信号同步控制方面，现有的固态断路器往往会出现电力电子器件开启、闭合异步，产生不均压和不均流现象，对器件造成损伤，甚至会影响整个系统的正常运行；其次，在固态断路器中，电力电子器件较为分散，会给驱动电路的信号传播带来一定的延迟，再加上电力电子器件开启、闭合异步等因素，在断路器操动过程中会造成电压、电流分布不均匀，致使器件损坏。由此可见，对于固态断路器的平衡设计是非常重要的，尤其是动态平衡方面，将是决定固态断路器发展的关键问题。\\
固态断路器的限流功能\\
固态断路器的限流功能可以有效的防止短路电流，提升电网系统运行的安全性和可靠性。现阶段固态断路器的限流方式，主要有电阻限流、超导限流以及固态限流三种形式。PTC 电阻限流主要是利用热敏电阻 PTC正温度系数的特性，在电力设备正常运行的过程中，热敏电阻 PTC 的阻值很小，温度较低。一旦电网中出现短路电流，热敏电阻PTC 会受热膨胀，电阻值急剧上升，限制短路电流继续通过，从而起到保护电力设备的作用。对于热敏电阻 PTC 在实际应用中的不足，对于限制感性负载的条件下，会使 PTC 严重发热，对于连接设备的机械强度和热效有着较高的要求，而且单个的 PTC 固有电压和电流额定值较低，通用性不高。超导限流主要借助超导材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动下材料的电阻趋近于 0 的性质，当电网中存在短路电流，超导材料有零阻抗变为非线性的高电阻，从而抑制短路电流的通过。对于超导限流的表现形式，主要有电阻型、电抗器型磁通型以及变压器型四种。\\
固态限流主要利用电力电子器件实现对电流回路的开启和闭合。由于固态限流采用电力电子器件，例如：用功率半导体做主开关管，一旦发生短路现象，电容自身的电流通过谐振支路释放，使流过功率半导体的电流反向，实现对线路的切断作用。由此可见，固态限流具有操动速度较快、动作时间短等优势。现阶段，我国对于固态限流的研究主要集中在电抗器限流、可变电阻式限流、串补限流以及固态开关限流四种形式。其中电抗器限流、可变电阻式限流、串补限流只适用于交流环境，而固态开关限流则通用于交、直流环境。
固态断路器检测、控制方法\\
固态断路器如何准确有效的检测故障电流和电压，是确保电力设备安全运行的关键所在。在具体应用过程中，断路器如果只检测电流的幅值或者有效值，会对其操动性造成一定的延迟，所以必须要综合评定故障电流和电压幅值、有效值的变化频率。此外，为了降低线路开启、闭合对主控制回路造成的影响，软开关控制方法也融入到固态断路器的设计当中，通过外部回路的谐振作用对主控制回路在电压、电流过零状态下的切换，最大限度的降低对电力电子器件造成的损耗。
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