直流断路器电弧研究的新进展

近年来从低压、中高压直到特高压直流输配电系统迎来了一个快速发展的黄金时期,相应的各类直流断路器也成为了一个新的研究热点。在直流断路器的开断过程中,电弧的产生将极大地影响直流开断过程,因此对于电弧演化和熄灭过程的研究是直流断路器研制的关键问题。根据电压等级和开断原理的区别,目前的直流断路器主要分为三类,即空气断路器、自激振荡式断路器和混合式断路器。本文对三类直流断路器中电弧相关的仿真和实验工作进行了综述,并对直流断路器下一步的研究工作进行了展望。     

混合式高压直流断路器开断过程整机应力特性研究北大核心CSCD

混合式高压直流断路器开断短路电流过程复杂,导致开断过程中设备所承受的应力同样较为复杂。为明确其在开断过程中所承受的分断应力,有效指导混合式直流断路器的设计和试验,有必要对断路器整机应力特性进行研究。依据断路器动作时序将其开断过程细分为3个阶段,提出计及交流侧影响的整机分断应力计算方法。通过PSCAD仿真系统构建了混合式高压直流断路器及柔直电网模型,对电流应力、电压应力和耗散能量等进行了仿真分析,结果表明,所提计算方法可较为准确的获得各支路分断应力。研究结果可为混合式直流断路器及直流电网参数设计提供参考。     

模块化混合型直流断路器开断能力影响因素分析

基于半桥子模块拓扑的模块化多电平电压源换流器(HBSM-MMC)和直流断路器构建的柔性直流电网能够实现大规模新能源的并网和消纳,发展前景良好。柔性直流电网技术的发展主要限制于高压直流断路器,因此对高压直流断路器开断过程以及开断能力影响因素的研究十分有必要。文中首先研究了适用于HBSM-MMC柔性直流电网的模块化混合型高压直流断路器运行原理;并在此基础上详细分析了模块化混合型直流断路器开断时间的影响因素;然后研究了直流断路器过电压的影响因素;最后在PSCAD/EMTDC软件对柔性直流电网中直流断路器开断能力影响因素进行了仿真验证。通过文中的研究可知,通过降低机械开关开断时间、减小转移支路电容以及调整避雷器参考电压都能够提高直流断路器的开断能力。     

160 kV超快速机械式高压直流断路器的研制

针对±160 kV南澳多端柔性直流工程对高压直流断路器的实际需求,提出了一种新型的机械式高压直流断路器拓扑,以及160 kV机械式高压直流断路器的技术方案,对其中的关键技术如快速操动机构、多断口串联均压等进行了仿真研究。研制出了160 kV超快速机械式高压直流断路器,提出了采用发电机源提供交流电流来模拟直流故障电流的开断试验电路,并进行了正、反向大电流开断试验。试验结果表明,机械式高压直流断路器成功开断了9.2 k A正向电流,暂态恢复电压峰值达到272 kV,开断时间3.9 ms;成功开断了9.2 kA反向电流,暂态恢复电压峰值达到262 kV,开断时间为4.6 ms。     

一种新型电容缓冲式混合高压直流断路器的设计与仿真

研发能够快速开断大电流,可靠性和经济性好的高压直流断路器成为构建多端直流电网的主要技术瓶颈。文中提出了一种新型电容缓冲式混合高压直流断路器的两种不同开断模式,分析了相对高压直流断路器主流拓扑方案所做的改进;通过PSCAD仿真模型,对比了无弧开断模式和燃弧开断模式的优缺点;最后指出了该种高压直流断路器仍需研究的问题。     

高压直流断路器研究综述

高压直流(HVDC)电网是解决可再生能源大规模接入的重要途径,而高压直流断路器(HVDC CB)是直流电网发展的瓶颈问题。笔者针对高压直流输电技术的发展趋势,分析了高压直流电网对高压直流断路器的需求;介绍了各种直流开断方法的基本原理,并分析了其在高压直流电网中应用的可行性;着重介绍了混合式高压直流断路器和基于人工过零的高压直流断路器的研究和发展现状,对其开断过程进行了较为详细的分析,并对其进一步的研究中的关键问题给出了建议。     

应用于南澳多端柔性直流工程中的高压直流断路器关键技术参数研究

针对在±160k V南澳多端柔性直流输电工程加装2台机械式高压直流断路器进行了研究。首先提出了2台直流断路器的安装方案及意义,分析了机械式高压直流断路器的拓扑及工作原理。然后利用PSCAD/EMTDC建立了含2台机械式高压直流断路器的南澳直流系统仿真模型;通过仿真分析,发现双极短路故障时,为避免过流,在直流断路器开断故障电流前换流器应暂时闭锁;仿真设定机械式高压直流断路器开断时间为5ms,得到了其暂态恢复电压、开断电流、避雷器吸收能量等关键技术参数;研究了开断时间分散性、一台直流断路器故障时对直流断路器参数的影响;最后给出了机械式高压直流断路器关键参数选型的建议。     

一种混合式高压直流断路器的换流特性研究

高压直流电网发生短路故障时,为了系统安全稳定运行,直流断路器应在很短的时间内切除故障线路,而电流转移过程是断路器成功切断故障电流的关键。文中对级联全桥混合式高压直流断路器换流过程进行分析,着重研究了故障电流分断过程中断路器的3次换流过程,并建立换流过程的等效模型。在PSCAD/EMTDC中仿真分析了3次换流过程的主要影响因素及其影响规律,得到混合式断路器的换流特性结论,为研制开断时间更短、开断容量更高的直流混合式断路器提供参考。     

高压直流断路器开断试验方法综述

作为开断电流并隔离电网故障部分的保护设备,高压直流断路器对于未来的多端高压直流输电电网的发展尤为重要,高压直流断路器的开断可靠性需要通过试验验证。综述介绍了目前主要研制的高压直流断路器的基本拓扑结构,列出高压直流断路器的开断试验方法,分析了交流单频振荡法、电感储能直接试验法和短路发电机直接试验法以及合成试验法的原理及各自特点,提出了短路发电机直接试验法与合成试验法两种高压直流断路器开断试验方法为主要发展方向。     

高压直流真空断路器安全开距的试验研究

高压直流断路器是保护直流输电系统的重要组成部分,机械式高压直流真空断路器是目前几种可行方案之一。断路器的安全开距是断路器重要的开断参数,临界开距是直流真空断路器确定换流时刻的依据,直接决定其开断性能。该文建立了基于换流的直流真空断路器安全开距试验系统,主开关和换流开关均选用电磁斥力机构,直流试验电流源由低频LC振荡电路近似。应用PSCAD对该系统的开断过程进行仿真,以验证参数设计的可行性。试验中系统开断模拟直流电流为4 kA,采用位移传感器对动触头轨迹进行检测,得到动触头的分闸速度约为2.4m/s。对比仿真与试验波形,分析了与熄弧时间对应的开距对开断能力的影响,通过试验得到最快熄弧时间和临界开距,其值分别为为0.9 ms和2.2 mm。试验结果对高压直流真空断路器确定换流时刻具有参考价值。     

一种强制换流型混合直流断路器方案

作为高压直流输电的关键设备之一,直流断路器受到了广泛的关注。混合直流断路器继承了机械断路器通态损耗低与固态断路器开断迅速的特点,是目前直流断路器研究的主要方向。文中着重分析了影响基于全控型电力电子器件的强制换流型混合直流断路器开断速度的因素,针对辅助换流电路中缓冲电容放电回流影响机械断路器动作时间以及能量吸收电路吸收能量的时间问题,提出一种强制换流型混合断路器方案,该方案能够防止缓冲电容电流回流,同时减少避雷器吸收能量所用时间。对该断路器各个工作阶段的数学模型进行了数值分析,通过Pscad/EMTDC软件对故障状态混合断路器开断过程进行仿真,并且与典型强制混合直流断路器开断过程进行比较,验证了该方案切实可行。     

高压直流开断试验回路等价性研究

高压直流开断试验回路,成本低、结构简单、调节方便,广泛应用于世界各国高压直流开断研究和断路器的检验之中。因此试验回路的等价性便成为高压直流开断研究中的一个重要课题。文章介绍了试验回路的开断过程,并与国际上公开发表的现场开断试验结果进行比较,得出结论:高压直流开断试验回路在电弧能量、电流过零、恢复电压等三个重要方面,符合断流容量试验的等价条件。     

高压直流断路器技术

笔者着重从高压直流输电换流站用直流断路器的功能要求、主要性能、基本构成、开断原理及试验技术等方面进行探讨,分析了直流断路器和交流断路器在电流转换、环境耐受和开断性能等方面的区别,给出了直流断路器转换电流的计算公式,表明合理选择直流断路器绝缘件的爬电比距对于提高运行水平非常重要,且开断直流电流必须创造过零点。另外,还阐述了直流断路器与交流断路器有主要区别的性能试验,供中国高压直流断路器的研制者参考。     

直流断路器电流开断试验技术与试验回路

随着直流电力技术的不断发展,直流断路器在高、低压直流电网中的重要性日益明显,直流断路器的试验技术与试验回路设计、实施也成为容量试验站研究的热点。文中分别讨论了中低压直流断路器、高压直流断路器的电流开断技术、开断要求,以及开断试验回路的设计、实施和试验技术。所设计的中低压直流断路器电流开断试验回路一期调试结果为额定电压2 kV、额定短路电流82.6 kA/峰值126.2 kA,完全满足1.8 kV/80 kA直流断路器的试验需求,此外根据设备参数理论上的试验容量可以满足额定参数4 kV/125 kA直流断路器的试验需求。进一步讨论了高压直流断路器电流开断的合成和直接试验回路,并给出了以直接试验回路进行试验时的典型试验结果。文中的研究内容为大容量试验站进行中低压和高压直流断路器电流开断试验回路设计和试验实施具有一定的参考价值。     

中高压直流开断技术

直流电网在高压柔性输电、新能源接入、轨道牵引以及未来城市配网方面有着广泛的应用前景。直流断路器作为重要的控制和保护设备,是直流电网供电安全的重要保证。与交流相比,直流开断的要求更高、其实现也更加困难。根据开断原理的区别,目前的直流断路器主要分为空气断路器、电流注入式断路器和混合式断路器三类。分别对三类直流断路器进行了综述,介绍了相应的开断原理与开断方法,着重分析了中高压直流分断方面的最新技术。空气式直流断路器通过建立足够高的电弧电压实现分断,结构简单、可靠性高,在低电压等级系统中已经得到了广泛的应用。电流注入式直流断路器利用储能元件产生的反向电流注入来实现直流分断,短路分断速度较快,可用于中高压直流系统。混合式直流断路器主要利用全控型电力电子器件来实现电流分断,开断速度极快,对于不同电压等级适用性较强,然而较高的成本限制了其广泛应用。     

新型高压直流断路器开断能力的研究

通过对典型高压直流断路器在开断大大直流时开断能力不足的问题的分析,在其电路拓扑的基础之上,引进了一个电阻元件,将该电阻直接并联于直流回路上,用于分流和减小直流电流的幅值。另外,在与该电阻元件并联的直流回路上设置了一台断路器装置,该装置能开断较小容量的直流回路,它能与主直流回路的断路器共同工作,最终开断大幅值直流电流。在Matlab/Simulink环境下,建立Mayr电弧模型,并在此基础上建立了新型高压直流断路器模型。通过仿真及其分析,表明在高压直流系统中,该新型直流断路器具有很好的直流开断能力。     

基于可控硅串联技术的新型固态高压直流断路器

作为直流线路中的分断装置,高压直流断路器是快速限制并切断故障电流、维持直流电网安全稳定运行的关键技术手段。文中在对比分析现有高压直流断路器典型结构的基础上,提出了一种基于可控硅串联技术的新型高压直流断路器,详细描述了其拓扑结构、工作原理和典型特点,并使用PSCAD软件仿真分析了不同短路电流下所提高压直流断路器的开断特性及其影响因素。最后,通过在实验室内搭建高压直流断路器实物模型,利用d SPACE工作平台进行了断路器的电流开断实验。结果表明,所提出的新型高压直流断路器能够实现快速关断与恢复通流,通态损耗低且通流能力强,具有现实可行性。     

直流断路器的研发现状及展望

可靠有效的电力供应以及开发利用可再生资源对于改进电力传输模式提出了巨大的挑战。基于低损耗、远距离、大功率输电以及更有效地连接可再生能源入网和便于灵活操作的优点,高压直流输电(HVDC) 得到了新的重视。特别是电压源换流器(VSC)技术的出现使得多端高压直流(MTHVDC)电网的筹建发展成为可能并越来越具吸引力。目前,多端高压直流电网技术上的主要挑战,如网络结构的拓扑设计、大容量电缆、保护和开断短路电流的直流断路器等成为热门话题。对于多端高压直流电网,具有快速开断直流故障电流和隔离故障功能的直流断路器是必不可少和至关重要的。只有应用高压直流断路器,才有可能采用多端高压直流实现多个节点连接的可再生能源入网或退网、及时快速分离故障并可保证系统的安全可靠运行。 虽然目前市场已有高压直流断路器,且有一些已在超高电压系统运行,但它们直接开断短路故障电流的开断能力较低,且都是作为转换开关将故障电流从一个电路转换到另一电路,最后由交流断路器完成开断,其开断时间较长,系统欠稳定。故具有高开断能力的高压直流断路器仍然是MTHVDC的发展的一个瓶颈,限制着MTHVDC的发展。因此,一场研发高压直流断路器的激烈竞争在ABB、西门子和阿尔斯通等国际电力设备制造商之间正在悄然进行。本文着重介绍了高压直流断路器的发展及其研发的必要性和迫切性,介绍了目前高压直流断路器的最新发展状况、现存的挑战和未来展望。     

耦合型机械式高压直流断路器设计及仿真

高压直流断路器已成为建立与发展多端直流电网的关键技术。因而针对混合式直流断路器通态损耗大、成本高及传统机械式直流断路器设备电压等级高、开断可靠性低等固有缺陷,提出了一种基于耦合电抗器的新型机械式直流断路器结构方案,详细分析了其工作原理。基于南澳160 k V柔性直流输电系统搭建了PSCAD仿真模型,进行了不同电流下的开断仿真,并对比传统机械式直流断路器仿真结果,分析了其开断可靠性高、关键设备电压等级低等技术特点及优势。设计了20 k V试验样机模块,通过了1.8~2.3 k A小电流开断试验,验证了耦合型机械式高压直流断路器的开断原理。仿真及试验结果证明:耦合型机械式直流开断方案可在保证双向开断可靠性的基础上降低触发开关及预充电设备电压等级,实现了可靠性与经济性的统一。     

高压直流开断试验回路的研究

文章描述了直流开断的试验回路装置及其试验结果。试验表明,简易高压直流断路器的气吹电弧具有负阻特性;转移回路参数对于实现自能式振荡熄弧开断影响显著,存在着一个与断路器电弧时间常数相适应的最佳转移振荡频率;简易气吹高压直流断路器的开断能力随气吹压力的增加而升高,燃弧时间随开断电流的加大而延长,文章还对高压直流开断试验回路的等价性做了进一步的分析和讨论。