固態(tài)斷路器（SSCB）是柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）和DFACTS（配電FACTS）中實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速、靈活、準(zhǔn)確控制的關(guān)鍵設(shè)備，也是保障現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的重要設(shè)備。隨著配電網(wǎng)容量的日益增大，系統(tǒng)的短路容量也持續(xù)增加，這對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)斷能力提出了更高的要求。同時(shí)，隨著用戶對(duì)供電質(zhì)量要求的不斷提高，如何快速切除短路電流以抑制故障期間電網(wǎng)電壓的跌落也非常重要。現(xiàn)有的機(jī)械式斷路器因受其自身物理結(jié)構(gòu)的制約，其開(kāi)斷容量很難有大幅度提高，并且動(dòng)、靜觸頭分開(kāi)時(shí)引起的電弧延長(zhǎng)了故障電流切除時(shí)間，使之難以滿足一些電力用戶對(duì)故障電流開(kāi)斷的速動(dòng)性要求，因此如何限制、迅速開(kāi)斷故障電流顯得日趨重要。基于電力電子器件的固態(tài)斷路器因其卓越的電流關(guān)斷性能使其自問(wèn)世以來(lái)便引起廣泛的關(guān)注。 　　 1 固態(tài)斷路器的工作原理 　　 SSCB是背靠背地將晶閘管并聯(lián)在一起，形成一個(gè)交流開(kāi)關(guān)模塊，再按額定電壓將其串聯(lián)起來(lái)。如果晶閘管是常規(guī)的硅整流管（SCR），則開(kāi)關(guān)在交流電流第1次過(guò)零點(diǎn)時(shí)斷開(kāi)回路。這將形成幾毫秒的時(shí)延，但已可為大部分用途所接受。如果采用門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），則可瞬時(shí)切斷電流。ZnO避雷器和緩沖器用來(lái)吸收晶閘管關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的過(guò)電壓。 來(lái)用于6kV及以上系統(tǒng)的SSCB大多采用GT0器件。正常運(yùn)行時(shí)GTO導(dǎo)通，負(fù)荷電流從中流過(guò)；一旦檢測(cè)到故障，控制系統(tǒng)向GTO門極發(fā)出關(guān)斷脈沖，SSCB可在幾百lls內(nèi)，在故障電流沒(méi)有上升到較大幅值前就予以切除，因此可有效抑制電網(wǎng)電壓的跌落和大故障電流帶來(lái)的惡劣后果。 　　 若再將1組電抗器并聯(lián)于SSCB，則構(gòu)成了故障電流限制器（FCL）。其工作原理是：在正常負(fù)荷條件下，GTO開(kāi)關(guān)閉合并處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。GTO開(kāi)關(guān)由電流大小或電流上升率驅(qū)動(dòng)，在幾十lLs內(nèi)可轉(zhuǎn)換為斷開(kāi)狀態(tài)，并可斷開(kāi)很大的電流，使故障電流在達(dá)到破壞性的數(shù)值前很快受到限制。在GTO關(guān)斷瞬間，電流流向緩沖器，緩沖器在晶閘管電壓達(dá)到ZnO避雷器動(dòng)作電壓之前，限制了電壓的上升速度。該電壓也加在電抗器上，由于電抗器的限流作用，故障電流受到了限制。當(dāng)故障被清除，線路電流恢復(fù)正常，GTO開(kāi)關(guān)則在電壓為零或接近零時(shí)接通，這樣可以避免緩沖器的電容放電電流太大，電抗器上的電流將在零點(diǎn)幾秒內(nèi)衰減掉。 2 固態(tài)斷路器的應(yīng)用 　　 SSCB可以提高開(kāi)斷速度，提高穩(wěn)定性；能夠準(zhǔn)確控制開(kāi)關(guān)時(shí)刻，選擇在電流過(guò)零時(shí)動(dòng)作，降低過(guò)電壓。在兩個(gè)互為備用的饋線端都采用SSCB，就可在任一饋線故障時(shí)，將停電或異常時(shí)間限制在1周波之內(nèi)。 　　 更有效的方案是在SSCB，和SSCB：的位置上全用常規(guī)機(jī)械式斷路器，而SSCB3和1臺(tái)StatcOn將保證正常供電（反應(yīng)時(shí)間只有幾毫秒）。Statcon可保證在系統(tǒng)電壓正常閃變時(shí)電壓恒定，還可使母線電壓和電流不受諧波影響。如果在SSCB3的系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障，它將在小于1周波的時(shí)間內(nèi)斷開(kāi)，Statcon即開(kāi)始向敏感負(fù)荷供電，其時(shí)間足夠使常規(guī)開(kāi)關(guān)切除故障或?qū)⒇?fù)荷轉(zhuǎn)接到另外無(wú)故障的饋線上。SSCB3可測(cè)知故障并與其斷開(kāi)，此時(shí)Statcon將維持敏感用戶母線的電壓水平，使該負(fù)荷實(shí)際上不受整個(gè)交流系統(tǒng)或其它負(fù)荷事故的影響。即使在嚴(yán)重情況下，還是來(lái)得及啟動(dòng)備用電源或?qū)⒇?fù)荷轉(zhuǎn)接到第3個(gè)無(wú)故障的饋線上。 　　 美國(guó)西屋電氣公司研制成功的強(qiáng)迫空冷戶外式SSCB（13．8kV，675A）于1995年2月安裝于美國(guó)新澤西州PSE&G變電站運(yùn)行。其原理接線見(jiàn)圖3（與故障電流限制器FCL組合），其中SSCB的GTO回路額定電流為675A，通過(guò)SCR的故障電流為8kA。 　　 其中，GTO為主開(kāi)關(guān)，用于導(dǎo)通正常負(fù)荷電流；與之并聯(lián)的SCR為輔助開(kāi)關(guān)，正常運(yùn)行時(shí)斷開(kāi)，故障時(shí)導(dǎo)通故障電流；限流電抗器可保證系統(tǒng)的故障電流低于SCR的開(kāi)斷容量，并可減輕下游斷路器的開(kāi)斷壓力，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)故障時(shí)，控制系統(tǒng)向GTO發(fā)出關(guān)斷脈沖，GTO關(guān)斷后持續(xù)半個(gè)周期再重合，同時(shí)檢測(cè)后續(xù)半個(gè)周期內(nèi)的線路電流是否恢復(fù)正常，如果恢復(fù)正常則GTO維持導(dǎo)通狀態(tài)。因此在這種情況下，供電中斷時(shí)伺最多為半個(gè)周期；如果故障仍存在，則GTO再次斷開(kāi)，同時(shí)SCR導(dǎo)通，限流電抗支路投入運(yùn)行，最終將故障電流限制在一定數(shù)值以下：10多個(gè)周期后如果故障仍存在，則SCR斷開(kāi)，最終將故障切除。 MATLAB軟件中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（PSB）是一種針對(duì)電力系統(tǒng)的可視化建模與仿真工具。在PSB的電力電子模塊庫(kù)中，有一個(gè)理想開(kāi)關(guān)模型，它用于模擬一個(gè)簡(jiǎn)化的電力電子裝置，如GTO裝置或者是用于電流切斷的固態(tài)斷路器。理想開(kāi)關(guān)模型由1個(gè)電阻、1個(gè)電感和1個(gè)由邏輯信號(hào)C控制的開(kāi)關(guān)組成。 　　 理想開(kāi)關(guān)用來(lái)接通或斷開(kāi)一個(gè)電抗器（L=1 H，R=50Ω，雜散電容C=50nF）。開(kāi)關(guān)參數(shù)是：R=1Ωm，L=IXl0-9H，沒(méi)有緩沖電路。開(kāi)關(guān)最初是關(guān)閉的，在36ms時(shí)被打開(kāi)，然后在t=0．15s重新閉合。 啟動(dòng)仿真，觀察流過(guò)電抗器的電流人與電壓認(rèn)以及開(kāi)關(guān)電壓Uswitch與開(kāi)關(guān)電流Iswitch。在t=36ms時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，流過(guò)電抗器的電流為0．185A。電抗器上的電流斷開(kāi)時(shí)，在電抗器上產(chǎn)生一個(gè)高頻過(guò)電壓 （711HZ），其最高電壓可通過(guò)下式計(jì)算 Ulmax=IL =0.185 =830V（1） 當(dāng)t=0.15s時(shí)，開(kāi)關(guān)重新閉合。 　　 3 討論 　　 盡管十多年來(lái)國(guó)外對(duì)高壓固態(tài)斷路器的研制取得了較大的突破，并有實(shí)際的工程應(yīng)用，但因受到以下固有缺點(diǎn)的制約,迄今固態(tài)斷路器仍未廣泛應(yīng)用。 1）目前電力電子器件的額定電壓和額定電流較低，在高壓電網(wǎng)中，需要采取多個(gè)GTO串并聯(lián)的方式來(lái)提高固態(tài)斷路器的開(kāi)斷容量及其可靠性，因此必須解決各驅(qū)動(dòng)脈沖的同步控制問(wèn)題，以保證各串并聯(lián)運(yùn)行的GTO在開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)有較好的均壓和均流特性，否則壓降不均或分流不均都將導(dǎo)致GTO元件的損壞，威脅整個(gè)串聯(lián)模塊的安全。但由于GTO開(kāi)斷時(shí)的增益很小，僅有4～5倍，因此開(kāi)斷大的電流需要大幅值、陡上升率的門極驅(qū)動(dòng)脈沖電流，且隨著串并聯(lián)器件數(shù)的增多，控制這些脈沖的一致性觸發(fā)難度很大。 　　 2）GTO的通態(tài)損耗大，目前大功率GTO的通態(tài)壓降約為3．2V，而機(jī)械式斷路器的導(dǎo)通壓降僅為幾mV，因此太大的通態(tài)損耗使得固態(tài)斷路器必須采取特殊的冷卻裝置才能保證其安全可靠運(yùn)行。這不但增加了其運(yùn)行費(fèi)用，而且還使裝置復(fù)雜，降低了裝置的可靠性。 3）GTO的過(guò)載能力低，不能持續(xù)導(dǎo)通故障電流，而只能在故障電流到達(dá)其最大關(guān)斷值前關(guān)斷，因此固態(tài)斷路器無(wú)法實(shí)現(xiàn)與下游斷路器的整定配合。 　　 由于存在以上缺點(diǎn)，固態(tài)斷路器的應(yīng)用范圍受到很大的限制，一般只用于一些特殊的場(chǎng)合，例如產(chǎn)生大功率脈沖電源的開(kāi)斷裝置、高壓直流輸電系統(tǒng)的地線轉(zhuǎn)換斷路器和一些重要負(fù)荷的轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)。