固態(tài)斷路器是在大功率電力電子元件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器相比，固態(tài)斷路器的主要元器件是大功率電力電子器件，結(jié)構(gòu)上的顯著特點(diǎn)是無觸點(diǎn)，不需要滅弧等措施。

由于開關(guān)功能是通過控制電力電子器件的門極信號實(shí)現(xiàn)的，因而具備了動作速度比基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)斷路器更快的優(yōu)點(diǎn)，能夠適用于需要頻繁開斷的場合，如投切用于無功補(bǔ)償?shù)碾娙萜鹘M；在線路發(fā)生短路故障的情況下，能夠在故障電流未顯著上升、電網(wǎng)電壓崩潰前將故障區(qū)域隔離，極大地降低短路故障對線路和設(shè)備的危害，從而提高了用戶供電的可靠性。

同時，固態(tài)斷路器的還具有使用壽命長，維護(hù)簡單，容易實(shí)現(xiàn)智能化等一系列優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著智能微型電網(wǎng)提出與研究發(fā)展，固態(tài)斷路器以其快速動作，易于實(shí)現(xiàn)智能化等特性成為新的研究熱點(diǎn)。

固態(tài)斷路器的結(jié)構(gòu)與特性

傳統(tǒng)斷路器通過金屬導(dǎo)體的接觸與脫離來實(shí)現(xiàn)電流的導(dǎo)通與關(guān)斷；固態(tài)斷路器是無觸點(diǎn)開關(guān)設(shè)備，與傳統(tǒng)斷路器所不同，其導(dǎo)通與關(guān)斷通過對半導(dǎo)體功率器件內(nèi)部的載流子以及載流子的通道的控制來實(shí)現(xiàn)：在導(dǎo)通狀態(tài)，器件內(nèi)部形成載流子通道，載流子被大量激發(fā)，器件導(dǎo)通電流的能力增強(qiáng)；在關(guān)斷狀態(tài)，器件內(nèi)部的載流子通道消失，正負(fù)載流子相互湮滅，器件阻隔電流的流通。

功率半導(dǎo)體開關(guān)器件是固態(tài)斷路器實(shí)現(xiàn)線路導(dǎo)通與關(guān)斷的核心器件。以基于IGBT的固態(tài)斷路器為例，其基本單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，可通過基本單元的串并聯(lián)來提到固態(tài)斷路器的截止耐壓等級以及開斷容量。

圖1 固態(tài)斷路器的單元結(jié)構(gòu)

固態(tài)斷路器可以在得到動作信號后1us左右迅速動作，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)斷路器動作時間。固態(tài)斷路器能夠迅速截斷故障電流，由于沒有觸點(diǎn)，不會產(chǎn)生電弧以及發(fā)生電弧重燃等情況，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性，但同時也會產(chǎn)生截流過電壓嚴(yán)重隱患；電力系統(tǒng)對三相固態(tài)斷路器的三相同期動作的需求也不可避免地使得三相固態(tài)斷路器對某些相電流進(jìn)行截流，同樣會產(chǎn)生截流過電壓。

由于固態(tài)斷路器是基于電力電子元件的電器，對過電壓的敏感程度較傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的斷路器要高，如果過電壓高于固態(tài)斷路器的耐壓值，固態(tài)斷路器內(nèi)部的電力電子元件將會被擊穿，固態(tài)斷路器將會損毀。本文對固態(tài)斷路器截流過電壓的集中參數(shù)等效模型進(jìn)行分析，推導(dǎo)出該模型下的暫態(tài)過電壓的數(shù)學(xué)表示，并通過分布式參數(shù)模型的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 分布式參數(shù)仿真框圖

過電壓防范措施及總結(jié)

當(dāng)截斷正常負(fù)荷以及短路情況下的電流時，電流越大，斷路器兩端產(chǎn)生的過電壓越大，因此，在必須截斷大電流的情況時（如短路情況），應(yīng)該在采取限流措施后再進(jìn)行截斷。如基于IGBT的固態(tài)斷路器可以先通過降低柵極電壓限制IGBT源漏極通過的電流后再進(jìn)行截流。

對于正常情況下的單相斷路器操作，應(yīng)在電流過零點(diǎn)時將電流截止。為了進(jìn)一步降低固態(tài)斷路器過電壓的幅值，應(yīng)在電力電子器件兩端并聯(lián)壓敏電阻MOA以及RC阻容吸收電路，此時開斷瞬間開有一定的泄放電流通過，能夠進(jìn)一步降低過電壓的幅值。

本文建立的集中參數(shù)過電壓等效模型能夠得到在極端的情況下精確地計算出固態(tài)斷路器所承受的過電壓幅值的大小以及持續(xù)時間，對固態(tài)斷路器串聯(lián)單元個數(shù)的確定以及過電壓防護(hù)措施等后續(xù)研究具有一定的指導(dǎo)意義。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“固態(tài)斷路器的過電壓分析”，作者為金鑫、張明銳。）