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。     

混合式高压直流断路器研究现状综述

随着柔性直流输电技术在近三十年的巨大进步,高压直流断路器研究成为国际研究热点。文中针对高压直流输电技术的发展趋势,论述了高压直流电网对高压直流断路器的强劲需求;介绍了目前应用较为普遍的混合式直流断路器发展历程、拓扑结构及开断原理;在此基础上,从元器件数量、设备可靠性方面对比分析了目前基于IGBT级联型双向开断的混合式直流断路器、基于H型全桥拓扑结构的混合式直流断路器、二极管带IGBT全桥拓扑结构的混合式直流断路器3种典型技术方案的优劣;总结了现今高压直流断路器研究的技术难题和未来发展方向。     

500 kV整流型混合式高压直流断路器

直流断路器作为柔性直流电网故障元件的快速隔离装置,是构建直流电网的关键设备,能够大力支撑大规模新能源的高效并网和消纳。文中提出一种整流型混合式高压直流断路器电路拓扑,采用桥式换向阀组和单向开断阀组构成分断支路,与常规拓扑相比,使用一半数量的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)即可实现电流双向开断,经济性好和可靠性高。文中详细介绍了整流型混合式高压直流断路器的拓扑结构及其开断工作原理,并提出预分闸控制策略和软合闸控制策略,以缩短分闸时间和减小合闸操作冲击。研制了一台额定电压500kV,额定电流3kA,最大开断电流25kA,开断时间小于3ms整流型混合式高压直流断路器样机。实验结果验证了整流型混合式高压直流断路器电路拓扑的可行性和有效性     

适用于高压柔性直流的混合式直流断路器

动态均压难、小电流下分断时间过长及经济性不高是制约混合式直流断路器应用和推广的因素,为此,提出一种适用于高压柔性直流的改进型混合式高压直流(HVDC)断路器拓扑方案.介绍了主支路电子开关和转移支路电子开关拓扑结构,并对关键元件设计给出了理论分析和说明.最后研制了500 kV混合式HVDC断路器样机,并搭建样机运行试验系...     

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。     

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。     

高压直流断路器试验技术研究

文中主要介绍了机械式高压直流断路器的试验技术,它分为有源型和无源型高压直流断路器,并分别介绍了两种高压直流断路器的试验回路原理、试验方法以及两种高压直流断路器在大容量试验室完成容量开断试验的情况,给出了试验相关数据和典型试验示波图,为更高电压等级的高压直流断路器的研发试验提供技术支持。     

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。     

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。     

基于智能模块的高压直流真空断路器研究

作为能源互联网重要组成部分的智能电网近年来发展迅速,其中高压直流输电以交流系统不可替代的优点,在可再生能源如风电与光伏发电集电网等方面具有广泛的应用前景。但目前为止,担负着控制和保护双重任务的核心组件——高压直流断路器自主研发仍存在技术瓶颈。该文通过高压直流短路开断的典型方案分析,提出了基于快速机构与联动关合的换流开断技术,给出由直流智能真空开关模块串联组成HVDC断路器的总体设计方案,为高压直流断路器的发展开辟一条新的路径。在直流真空开关分断过程分析中,分别利用连续过渡模型、Farrall公式、击穿统计特性对直流真空断路器电弧强迫过零点弧后介质恢复前期、中期及后期进行数值仿真分析,并采用对照分析方法分析介质恢复各阶段主要影响因素及其效应。该研究引用交流系统智能真空开关模块串联开断的成功经验探索HVDC短路开断新的路径,并给出了直流电弧分断过程的零区分析,可指导直流真空开关模块的开发。