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.     

一种结合直流断路器的直流故障限流器拓扑

直流系统短路电流的限制与开断技术是直流输电技术发展的瓶颈。针对这一技术问题,文中在分析已有直流限流器和直流断路器拓扑的基础上,提出一种适用于直流系统的改进型故障电流限制器的拓扑结构,该设备利用直流断路器使用的电流转移原理分断电路,可在系统发生短路故障时快速限制短路电流的上升率及短路电流水平,有效保障内部的电力电子器件避免过电压而造成的损坏。通过在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型并进行故障限流的仿真,验证了限流器的功能和限流指标,仿真分析结果表明所提出的限流器具有良好的限流效果。     

具备重合闸功能的经济型直流断路器研究

为解决机械式直流断路器不易实现快速重合闸、开断小电流不易判别方向等技术难题及混合式直流断路器成本较高的问题,该文提出了一种具备重合闸功能的经济型直流断路器拓扑。首先,结合该拓扑工作方式研究了电流基于电弧电压自然转移与基于电力电子器件强迫转移的原理;其次,根据实测参数建立系统模型,仿真了故障电流、负荷电流及小电流的开断过程,验证了不同电流的开断性能;最后,针对原理样机进行开断试验,验证了该方案的可行性。研究结果表明:该方案可实现40 ms内快速重合闸、3 ms内截断故障电流等功能,且减少了电子电子器件应用数量,为经济型直流开关设备的研究提供一种新的思路。     

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。     

±10kV直流配网用混合式中压直流断路器拓扑设计与试验

为解决±10 kV柔性直流配电网发生短路时故障电流大,开断短路电流困难的问题,提出一款±10 kV混合式中压直流断路器拓扑方案.利用PSCAD/EMTDC软件对该直流断路器拓扑进行仿真.仿真结果表明:当系统发生短路时,直流断路器能够在2.54 ms(《3 ms)时间内分断2.5 kA短路电流,转移支路中承压绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)两端最大电压约为17.5 kV,同时研究了RC回路中不同R值(1 Ω,5 Ω,10 Ω)对系统电压振荡波形的影响,R取值越大振荡时间越小;同时理论推导了直流断路器分断过程中的电气应力暂态方程.最后基于所提出的拓扑结构研制了±10 kV直流断路器样机,搭建试验平台对直流断路器开展分断试验.试验结果表明:该款±10 kV直流断路器能够在3 ms内双向(正向和反向)开断100A小电流和2.5 kA短路大电流,试验结果与仿真结果保持一致.     

基于桥臂阻尼阀组的模块化多电平换流器故障快速清除与系统恢复技术

针对柔性直流故障快速清除与系统快速恢复技术难题,介绍了基于桥臂阻尼阀组的故障快速清除与系统恢复技术方案。在分析柔性直流双极短路和桥臂短路2种故障机理的基础上,提出适用于工程的桥臂阻尼阀组的具体电气拓扑和阻尼阀组的控制保护策略以及桥臂阻尼参数的选取原则和工程参数设计流程。以某多端柔性直流输电工程为例进行了仿真验证,仿真结果表明,在直流双极短路故障条件下,所提方案可加快直流短路电流的衰减,实现故障清除后系统快速重启动;在桥臂短路条件下,所提方案可加速阀侧交流电流中直流分量的衰减,加快交流开关的开断过程,降低了换流阀故障损坏的风险。仿真结果验证了所提方案的有效性和可行性。     

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。     

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。     

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。     

基于电容换流的高压直流断路器研究

柔性直流电网技术面临快速隔离直流侧故障的巨大挑战,直流断路器被认为是直流故障隔离的有效解决方案。针对高压直流断路器普遍存在的直流故障隔离速度慢、换流站侧提供短路电流的水平高等问题,提出了一种新型高压直流断路器拓扑,利用基于电容的换流支路为断路器的可靠、快速分断创造条件,能够快速隔离直流故障,有效限制短路电流水平,降低直流故障对换流阀的冲击。描述了拓扑的结构及工作原理,对故障分断过程进行了理论分析;分析了两种分断策略与拓扑参数的影响关系。通过仿真平台搭建高压直流断路器仿真模型,仿真结果验证了所提直流断路器拓扑隔离直流故障的有效性。     

基于智能电流控制设备的直流配电网故障穿越方法

低压直流配电网常规低压配网开关的开断速度难以保障系统双极短路故障的快速隔离.在配电网中引入了智能电流控制设备,直流变压器低压侧配置改进直流阻断模块,在故障时阻断电源对故障点的短路放电,实现故障电流的快速抑制;馈线开关柜配置阻尼断路器,故障时高速开关快速分断投入阻尼电阻,增大短路回路的阻抗.该方法在馈线出现短路时,可快速隔离故障,故障隔离后通过改进直流阻断模块将电源重新投入系统供电,实现了系统的故障穿越.通过RTDS仿真验证了所述故障穿越控制策略的有效性.     

基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构研究

直流断路器是中压直流配电系统的重要设备。为满足大容量高速分断的迫切需求,该文提出一种基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构并分析了其工作过程,将耦合电抗器一、二次绕组分别串联于主支路和真空开关支路实现加速电弧电流转移,阻容元件串联于固态开关支路以便限制故障电流。通过Matlab/Simulink构建了基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器仿真模型,仿真分析了耦合电抗器和阻容元件参数对电流转移时间、限流效果、整机开断时间的影响规律,并进行了小电流开断的初步实验验证。研究表明：耦合电抗器一、二次绕组分别为300μH、50μH,阻容元件参数为0.1?、50μF,电流转移时间由1.5ms缩短至0.5ms,截断电流峰值降低了47.1%,整机关断时间缩短了1.9ms,初步验证了新拓扑结构在限流和快速开断方面的可行性,为研制高性能混合直流断路器提供参考依据。     

具有转移电容电压调整功能的重合闸机械式直流断路器北大核心CSCD

近年来中高压直流输电系统因其具有输送容量大、距离远的特点被广泛应用于电力传输,其中直流短路故障的制约和清除是影响直流电网安全稳定运行的重要因素。文中提出了一种新型具有转移电容电压调整功能的重合闸机械式直流断路器拓扑结构,利用一次开断后转移电容上的残留电压能够节省断路器重合闸所需的转移支路。研究了电压调整回路关键参数的整定方法,使调整回路能够将一次放电后的转移电容电压调整到合适的数值。最后,验证了文中所提拓扑对不同开断电流的适应性情况,发现拓扑对所有全电流开断工况都具有很好地适应性。     

超导限流式直流开断技术1:超导限流研究

高压直流断路器的成功研制是直流多端输电系统和直流电网发展的关键。目前高压直流断路器的发展方兴未艾,但开断的短路电流值仍然有限,笔者提出了一种基于超导限流技术的高压直流断路器,可以极大提高短路电流的开断能力。该直流断路器由直流超导限流模块和开断模块组成,文中的研究内容为超导限流模块的快速限流特性、电流转移特性、大电流耐受特性。实验结果表明,超导限流模块具有快速的限流特性,在1 ms内即开始限流,能将几十千安培甚至上百千安培的短路电流限制在几千安培,施加磁场后的超导限流模块具有宽电流限制能力。所提出的直流断路器将超导限流技术和直流开断技术有效结合,具有反应迅速,开断电流大,可用于高电压场合的优势,是一种有发展前途的高压直流断路器。     

一种适于快速高压直流断路器的过零振荡电路

为满足高电压等级直流断路器可靠地快速开断故障电流的要求,提出了一种基于多级串联间隙和电容分压自取电的预充电型直流断路器过零振荡电路。描述了带分压网络的多级串联间隙的工作原理,仿真分析了触发频率、横向均压电阻和纵向分压电容对多级串联间隙分压特性的影响,并对多级串联间隙在导通动作过程进行了实验验证。分析了基于电容分压自取电的触发装置原理以及参数配置要求。对此种断路器的短路故障电流开断过程进行了仿真分析,并建立电流模拟开断实验系统进行了振荡回路验证研究。仿真与初步的实验结果表明,该过零振荡电路可在主断口支路快速产生有效的反向振荡电流波形,实现故障电流的开断。     

新型地铁用直流断路器建模与仿真

地铁用直流断路器是牵引供电系统总体保护的关键设备,然而在开断故障电流时,内部机械触头会引起强烈电弧而造成设备受损。提出一种新混合式拓扑,采用电力电子开关转移故障电流,缓冲支路抑制过电压和吸能支路限制电流上升率,实现地铁用直流断路器快速无弧的故障电流开断。在新型拓扑基础上分析了各支路的数学模型,在Matlab/Simulink平台上搭建系统仿真模型,并验证新型地铁用直流断路器的电流转移特性,结果证实该拓扑具有好的转移特性,切除故障时间明显少于传统式地铁用直流断路器。     

混合式直流断路器模型及其操作暂态特性研究

该文围绕±10 kV柔性直流系统中的自然换流型混合式直流断路器操作暂态特性进行分析并建模仿真。首先简要分析直流断路器拓扑结构,提出一种基于绝缘栅双极型晶体管的自然换流混合式断路器。随后设计了断路器的动态模型,并整定了动作时序。接着讨论了断路器参数变化和故障特性对断路器分断性能的影响,利用PSCAD/EMTDC仿真软件分析了极间短路故障时直流断路器的暂态特性。仿真结果表明,电流转移过程能否正常进行对断路器开断有很大的影响,转移回路的杂散电感与电流转移时间接近线性关系,金属氧化物压敏电阻吸收电流持续时间对断路器成功开断故障有很大影响。此外,该文还设计了电流转移实验验证研究结果的正确性。研究结果可用于指导直流配电系统和断路器设计和电磁暂态分析。     

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。     

柔性直流输电故障快速清除系统及其用直流断路器

目前的柔性直流输电系统无法实现直流侧短路故障的清除,导致故障时所有换流站长时间停运。为解决该问题,提高系统可靠性,通过对系统故障电流的产生机理及直流开断原理的研究,以及直流断路器转移回路参数对开断性能影响的仿真分析;提出了一种开断电流500 A的机械式直流断路器及使用该断路器快速清除故障的方法;并搭建低频振荡试验回路验证直流断路器的开断性能。试验结果显示:文中提出的直流断路器稳定开断500 A直流电流,并使用该断路器的故障清除方法能够有效地缩短系统恢复时间,提高了系统稳定性,保证了电能质量。     

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。