基于零电压零电流的混合式直流断路器

基于IGBT的直流断路器存在导通损耗高、开断过程耗能量大的缺点,传统基于人工过零技术的直流真空断路器难以实现短路大电流的可靠开断。提出了一种综合了“零电压”、“零电流”混合开断原理,同时结合机械开关和半导体开关优点的新型混合式直流断路器方案。该直流断路器能够快速可靠地完成“零电压”电流转移过程,并通过晶闸管短时导通短路电流,确保机械开关弧后介质的可靠恢复,实现断路器的成功开断。样机等效短路电流开断试验结果表明,该新型混合式直流断路器能够用于电力系统配网完成预期10 kV/50 kA短路电流的开断。     

基于电弧电压的混合型直流断路器

混合型直流断路器同时具有传统机械开关良好的静态特性和固态开关无弧快速关断的动态特性,多端直流输电网络很大程度上依赖于直流断路器技术的发展。文中提出了一种基于电弧电压的混合型直流断路器,推导了电流换流物理过程的数学关系。通过有限元分析软件,进行了关键部件——电磁斥力机构高速开关的仿真计算。在以上基础上进行了1kA/15kV直流断路器样机的设计研制,试验结果表明,该样机的电弧最大换流能力为3kA,电流从高速开关向固态开关转移的过程呈指数关系,与理论推导相符。该样机能够在5ms内分断10kA短路电流,分断时间主要取决于高速开关开断速度以及电弧电压大小。     

电流源型机电混合式直流断路器在特高压直流输电系统中的应用

传统机械式直流断路器通过在直流电流上迭加一个振幅逐渐增大的振荡电流来制造一个"人工电流零点",完成电路开断。这将导致该断路器在开断时会承受很大的正向电流,增大对断路器开关触头的损伤。针对传统直流断路器存在的这一缺点提出了一种新型电流源型机电混合式直流断路器,利用电力电子器件构造换流电路,控制产生大小和波形均可控的叠加电流,在产生过零点的同时减小电流的正向幅值,能有效减小高压直流断路器分闸时产生的电弧,减小对直流开关触头的损伤,延长其寿命。通过MATLAB/Simulink仿真验证了该断路器成功开断工况电流和故障电流,并大幅降低了正向电流。进一步以正在筹建的蒙西特高压直流工程为例,通过PSCAD/ETMDC仿真平台,模拟该断路器作为直流金属回路转换开关成功开断直流线路故障电流并保持系统电压稳定的过程。仿真结果验证了所提出的新型直流断路器能够快速有效地开断直流线路故障电流,可以作为单极闭锁的后备动作方案。     

基于IGBT的直流混合型固态断路器及其换流过程

分析和比较了各种固态断路器的优、缺点,提出了适用于直流电力系统的基于IGBT的混合型固态断路器.通过搭建的固态断路器试验平台,进行了直流短路电流分断试验,并理论分析了影响其换流时间的电路参数.与机械断路器分断短路电流实验结果的对比表明,该断路器能有效分断直流短路电流并且有分断时间快、限流能力强、无电弧等优点.     

短路电流直流分量对断路器电弧长度、压气室压力、喷口气体质量流的影响研究

随着电网容量的不断增大,电力系统短路电流直流分量的时间常数有很大可能大于其标准时间常数45 ms。目前非对称短路电流直流分量对断路器燃弧阶段关键参数的影响规律尚无研究。因此,文中研究目标是获得短路电流直流分量对断路器燃弧阶段关键参数的影响规律。基于高压断路器内部结构建立电弧物理焓流仿真模型,分别研究气体断路器开断对称电流和非对称电流时,燃弧阶段的关键电弧参数如电弧长度、压气室压力、喷口处气体质量流等参数的变化规律。研究结果显示:相同燃弧时间条件下,相比于对称短路电流,非对称短路电流开断时,电弧长度变化不大,而燃弧过程中压气室压力、气体质量流略有增加。而在相同分闸时刻条件下,相比于对称短路电流,非对称短路电流开断时的燃弧时间有可能更长,导致电弧长度、压气室压力、喷口气体质量流数倍增长。然而,无论是在相同燃弧时间条件下,还是在相同分闸时刻条件下,上述关键电弧参数的变化使气体断路器的KEMA黑盒电弧模型计算得到的断路器开断能力的变化明显小于短路电流直流分量的增长所要求断路器需达到的开断能力量级。研究结果解释了断路器开断高直流分量的短路电流时,开断易于失败的原因,并可为提升高压断路器非对称短路电流开断能力提供理论依据。     

城市轨道交通大容量直流快速断路器的研发

为实现城市轨道交通直流快速断路器的国产化,研制了1 800 V/80 k A大容量直流快速断路器。重点介绍了直流大容量短路开断相关系统的设计,通过电磁场和动力学耦合仿真,获得了直接过流脱扣器的动态特性,通过建立空气直流电弧的磁流体动力学(MHD)模型,分析了电弧在开断过程中的运动以及弧根转移过程。基于仿真结果研制的样机按照IEC标准顺利通过了全部型式试验。仿真和试验结果表明:脱扣时间和电弧转移过程对开断性能具有重要的影响,该断路器开断短路电流时电弧转移迅速,电弧电压上升较快且不存在停滞现象,脱扣时间小于5 ms,燃弧时间在12 ms以内,具有开断100 k A短路电流的能力,从而验证了仿真对实际产品设计的指导意义。     

直流微网混合式直流断路器电流转移特性研究

混合式直流断路器的电流转移特性对其快速开断及控制策略有着重要意义,文中通过分析混合式直流断路器的工作原理,利用Mayr电弧模型、IGBT、RCD缓冲电路和避雷器模型等建立了混合式直流断路器仿真分析模型,分析了不同外电路参数和转移支路参数下的电流转移特性。搭建了直流微网模拟短路试验平台,进行了混合式直流断路器的开断特性试验,重点研究了电压400 V,不同故障电流(低于200 A)及不同参数下的电流转移特性。试验结果验证了仿真分析模型,为后期快速开断的直流微网混合式断路器提供了可参考的依据。     

一种提高高压直流断路器机械开关触发回路可靠性的方法

快速机械开关是高压直流断路器设备中的关键部件,在短路故障发生时,依靠其快速可靠的分断来转移故障电流,触发回路作为快速机械开关核心触发单元,其可靠性直接决定着整个断路器能否可靠运行。对此,从快速机械开关触发回路的可靠性着手,针对现有触发回路不足,研究提高触发回路可靠性的方法,以降低因触发回路异常导致快速机械开关失效的概率,进一步提升快速机械开关运行的可靠性,保障直流电网安全、可靠运行。     

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。     

基于低能量直流的真空断路器短路开断能力评估

针对目前真空断路器无法在现场进行短路开断能力评估的问题,提出一种利用低能量直流对真空断路器短路开断能力的评估方法。首先分析真空断路器的基本结构和电弧开断原理,得出工程实践中真空断路器开断故障电流失败的原因;其次使用小容量直流高电压、直流大电流模拟真实情况,在断路器触头间注入可控的直流电流和直流电压,通过检测断路器分闸过程电气量变化时间来评估断路器的极限开断能力。对安徽某变电站VS1-12真空断路器进行现场测试,结果表明低能量直流法能有效评估真空断路器短路开断能力,适合现场对断路器短路开断能力的筛查评估。     

串联电抗器对电力系统短路电流特性影响的研究

合理配置串联电抗器可有效抑制系统短路电流,但同时也会对短路电流特性产生一定影响。结合电网接线和运行状态,研究了串抗配置对电力系统短路电流周期分量、直流分量、冲击电流以及短路电流零偏的影响,分析评估了串抗后断路器的开断及关合能力校核标准。研究结果表明:串抗值越大,短路电流越小,且其对串抗的灵敏度也越小。当母联串抗增大到一定值时,将可能产生零偏现象。安装串抗抑制短路电流时,建议考虑短路电流中直流分量的影响,采用短路全电流有效值作为校核对断路器开断能力的指标。     

直流分量时间常数对断路器非对称开断性能影响分析

从短路电流的有效值、燃弧时差、电弧能量等方面分析了直流分量时间常数对断路器非对称电流开断性能的影响,给出了非对称短路计算模型及计算方法。结果表明直流分量时间常数越大,短路电流中直流分量越大且衰减越慢,燃弧时差越大,电弧能量越大,电流过零时di/dt降低,TRV参数亦有所降低,且非对称电流开断时,直流分量时间常数增大将导致断路器的开断条件变得苛刻。     

新型直流断路器的设计与仿真

为了能有效减小高压直流断路器分闸时产生的电弧,减小对直流开关触头的损伤,延长其使用寿命,提出了一种新型的直流断路器结构。该直流断路器采用包含电力电子器件的电流产生回路,通过适当控制,可产生大小和波形均可变的电流,与故障电流相叠加,在产生人工过零点的同时减小叠加电流的正向幅值。利用Matlab仿真了该直流断路器开断几种故障电流的情况,仿真结果验证了该直流断路器的有效性与可控性。     

城市轨道交通1 800 V高速混合式直流断路器研制

为解决城市轨道交通直流牵引系统短路故障电流上升率高、短路峰值大、难以快速开断的问题,设计了1800 V/10 kA高速混合式直流断路器,并提出了其高速开断策略。高速混合式直流断路器整体方案选用零电压型混合式直流断路器拓扑结构,采用快速斥力机构提升断路器响应速度,重点对真空电弧电流转移特性、真空短间隙介质恢复特性与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)短脉冲开断裕量等关键基础特性进行研究,得到上述关键特点的影响规律,基于此提出了混合式直流断路器高速开断策略和算法。研制了1800 V/10 kA高速混合式直流断路器,进行了初步实验验证,研究结果表明,高速开断策略可实现全分断时间小于2 ms,并通过理论推导得到IGBT短脉冲开断裕量可以达到5倍以上。     

电弧对发电机断路器电源侧短路电流开断能力的影响分析

发电机断路器电源侧短路电流具有较大的非对称度,在特殊工况下,甚至会出现电流延迟过零的现象。笔者结合实际工程中的发电机参数,计算了考虑电弧前后发电机断路器电源侧短路电流的变化,阐述了电源侧短路电流出现延迟过零的原因,分析了电弧对电源侧预期短路电流的影响。对比发电机断路器电源侧预期短路电流计算结果和系统侧短路电流开断试验数据,分析了发电机断路器电源侧短路电流的开断能力,尤其是具有延迟电流零点短路电流的开断能力,其结果可作为确定发电机断路器电源侧短路电流开断能力的参考依据。     

城市轨道交通用限流式直流断路器原理研究

为解决城市轨道交通用直流牵引系统故障短路电流峰值大、开断寿命低、维护成本高的问题,提出了一种限流式直流断路方案.研究了电流基于电弧电压自然转移的原理;根据系统参数建立仿真模型,仿真了不同故障电流情况下的限流开断性能,验证限流式直流断路器的功能;将该直流断路器方案与其他四种典型的直流断路器进行了对比分析.研究结果表明:提出的限流式直流断路方案可实现3 ms故障电流截断、快速重合闸功能,并采用先限流后开断的方式,降低故障开断电流,提高了开断寿命.     

混合式高压直流断路器电流开断试验装置设计

直流断路器最重要、最基本的功能是能在短路故障的工况下及时分断短路电流。整机开断试验需要模拟实际工程中最严酷的短路电流开断工况以有效检验直流断路器开断能力。基于混合式直流断路器特性提出了一种等效开断试验装置拓扑结构,并对其拓扑结构组成、运行原理、关键组成部分的应力分析、电气参数计算方法、试验仿真开展研究,研究结果可作为试验装置平台开发和直流断路器开断试验相关工作开展的理论基础。     

高压断路器电流零点延迟开断回路计算及试验

高压断路器利用交流电弧过零熄灭这一机理来完成电流开断,但随着特高压工程和直流电网的建设,系统中会出现电流零点延迟现象,对高压断路器的开断造成影响。采用非同步三相短路故障回路,分析了电流零点延迟现象产生的原因,并采用PSCAD软件对回路进行了仿真计算。计算表明：发生B、C两相短路时,当A相电流源电压的初始相位角α为90°或270°时,回路具有最大的直流分量,此时当两相短路经过5 ms发展成三相短路时,在B相中产生正向电流延迟零点现象;当两相短路经过15 ms发展成三相短路时,在C相中产生负向电流延迟零点现象。利用此现象,研究开发了一种电流延迟零点合成试验回路,并实现了高压断路器的电流延迟零点开断试验验证,结果表明断路器在开断过程中产生的电弧电阻会使回路中直流分量减小,从而导致电流延迟零点时间减小。     

混合式高压直流断路器的控制策略与实验研究

现有的高压直流断路器能够在几十ms内断开电路,但对于高压直流输电系统,远不能达到要求。基于半导体的高压直流断路器能克服动作速度上的问题,但需要大量电力电子开关器件串并联,有很高的技术难度,同时会产生大量损耗。为了克服上述缺点,采用一种混合式高压直流断路器的拓扑结构。首先介绍了断路器开通和关断的原理,接着提出一种故障预处理的控制策略,在故障发生时提前进行换流,从而缩短故障发生后线路开断的时间;最后利用PSCAD进行建模仿真,制作了单元样机进行降压实验。仿真和实验结果证明：在系统发生短路的情况下,混合式直流断路器能够快速开断短路电流,还可以在直流线路分断后为直流线路及负载中储存的能量提供释放回路。     

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。