10kV自然换流型混合式直流断路器中真空电弧电流转移特性研究

围绕应用于?10kV直流配电领域中的自然换流型混合式直流断路器的电弧电流转移特性展开研究。开断过程中,机械开关支路在没有辅助换流装置的情况下,需要在真空电弧电压的作用下实现电流向主关断支路的转移。文中建立了真空电弧电流转移的数学模型,确定了电弧电压、转移回路电感电阻参数、电力电子支路的导通压降是影响真空电弧电流转移的主要因素。实验方面首先对具有不同触头结构及材料的真空灭弧室进行了电弧电压测量,实验表明真空电弧电压可以同电力电子支路进行配合;在此基础上,采用IGBT作为电力电子支路开关,进行真空电弧电流向电力电子支路的转移实验,并研究了回路电感电阻参数对于转移特性的影响;最后,设计实现了10kV自然换流型混合式直流断路器,并对开断进行了实验:真空灭弧室电弧电流在1.5ms内完全转移到电力电子支路,关断电流3.6kA、关断过电压21.4kV,验证了该方案的可行性。     

计及杂散电感的直流断路器建模方法研究

特高压直流输电系统中,混合式直流断路器为了耐受高电压,主支路和转移支路由大量电力电子器件组成,导致其内部杂散参数分布复杂,影响断路器的换流和分断特性.基于此,针对二极管桥式混合直流断路器拓扑,研究了杂散电感对换流过程断路器电气应力的影响,提出了一种计及杂散电感的混合式直流断路器建模方法.采用PSCAD/EMTDC建立仿真模型,搭建样机进行试验验证,结果表明该建模方法能够模拟杂散电感对断路器特性的影响,具有较高的仿真精度,对样机参数优化有指导意义.     

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。     

回路电感对直流断路器并联开断性能影响的研究

结合耦合负压型混合式直流断路器的结构、原理,分别从快速机械开关并联开断和电力电子开关并联开断两个方面进行研究,分析机械开关回路电感、转移支路杂散电感等因素对直流断路器并联开断能力的影响,并通过试验进行验证。最后分别对应用于两个典型柔性直流输配电工程25 kA大电流开断和三端并联开断技术进行了介绍。     

应用于混合式直流断路器的电流转移方法

电流转移是混合式直流断路器能够成功开断电流的前提,针对混合式直流断路器的电流转移特性展开了研究。首先通过试验测量具有不同触头结构及触头材料的真空电弧电压。试验结果表明电流为0~1 k A时,电弧电压约16~22 V;且改变触头结构、触头材料及触头开距等无法有效提高电弧电压,所以提高真空电弧电压以驱动电流转移的方法并不可行。为此,首次提出了一种应用换流驱动电路的电流转移方法。对换流驱动电路建立了数学模型,并通过试验验证了仿真模型。最后,针对基于换流驱动电路的混合式直流断路器,设计试验回路并进行了电流转移等效模拟试验。试验结果表明:该电流转移方法能够保证混合式直流断路器中电流在200μs时间内可靠转移。该试验结果验证了基于换流驱动电路的电流转移方法应用于混合式直流断路器的有效性。     

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。     

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。     

杂散电感对混合式限流直流断路器影响的分析

为研究杂散电感对混合式限流直流断路器的影响,从强迫换流回路杂散电感、强迫换流回路与主回路之间杂散电感,以及限压吸能回路杂散电感三方面进行仿真分析。分析表明,强迫换流回路与限压吸能回路杂散电感对混合式限流直流断路器的影响较小,而强迫换流回路与主回路之间的杂散电感对混合式限流直流断路器的短路电流分断能力有重要影响。     

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。     

直流微电网故障限流特性分析

直流微电网系统拓扑复杂、工作模式繁多、电力电子集成度高及各类电力电子装置耐故障冲击电流能力弱,为系统故障的保护隔离带来了巨大挑战。通过分析直流微电网故障时的暂态特性,将故障过程分为4个阶段,并针对每个阶段对直流线路、VSC换流器及其电力电子器件的影响进行分析,为针对直流微电网的故障限流方案的配置原理提供依据。通过比较分析电感型限流器和电阻型超导限流器在直流微电网中的限流特性,得出电阻型超导故障限流器在满足直流微电网因多模式切换所需的高动态性能的同时,实现了对交直流线路及换流器内部电力电子器件的故障电流的快速抑制,从而降低直流微电网对直流断路器故障隔离的快速性和开断能力要求。通过分析限流器参数对限流特性的影响规律,为其参数选择提供依据。利用PSCAD/EMTDC仿真平台对典型直流微电网短路故障及限流方案进行仿真测试,验证了直流微电网的故障特性和电阻型超导限流方法的优越性。     

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。     

中压混合式直流断路器真空短间隙介质恢复特性EI北大核心CSCD

为指导混合式断路器中真空开关与IGBT的智能配合策略,并提升IGBT的短脉冲开断裕量,对中压混合式直流断路器中真空短间隙的介质恢复特性进行了研究。分析了零电压型中压混合式直流断路器的工作原理,得到IGBT承担电流的时间取决于真空短间隙介质恢复特性的结论,采用等效实验方式搭建了真空短间隙介质恢复特性试验电路,利用脉冲电压测试电流转移完成后真空短间隙的介质恢复特性,研究了开距、电流幅值、电流下降率对真空介质恢复特性的影响。试验结果表明:在电流小于4 kA时,真空短间隙平均介质恢复速度主要由开距和电流下降率决定,并通过数据处理得到了真空短间隙的介质恢复特性的数学描述,为1.5~10 kV电压等级的中压混合式直流断路器快速可靠开断提供设计依据。     

混合型直流真空断路器触头技术——现状与发展

基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器(hybrid direct current vacuum circuit breaker,HDCVCB)是直流开断技术的有效方式之一,其参数设计及开断能力决定于真空灭弧室的特性。介绍了混合型直流真空断路器的典型拓扑结构及其工作原理,对真空电弧理论和真空灭弧室触头结构的研究概况进行了阐述。分析了直流分断中电流波形与交流中的正弦波不同、电流下降率大、燃弧时间可控等特点,得到了其分断能力与换流电流投入时电弧形态和电极状态密切相关的结论。对不同触头结构下的真空电弧形态演化规律,不同条件下的真空灭弧室的强迫换流分断特性与介质恢复规律等实验研究工作进行了综述,最后对直流真空灭弧室的研发进行了展望。     

适用于直流开断的IGCT串联均压技术

电力电子器件的串并联是目前解决和实现高压、大功率直流断路器、电力电子变换器的主要组合方式。为此,围绕适用于高压直流开断的电力电子器件串并联技术,开展了面向瞬态开断的多器件静态及动态均压技术研究。首先,分析了集成门极换流晶闸管（integrated gate-commutated thyristor,IGCT）串联不均压原因及IGCT串联均压技术,以给出适用于直流开断的IGCT串联均压方案;其次,分析了缓冲电容、缓冲电阻和关断触发时间的差异对均压特性的影响;最后,搭建4个IGCT串联的电力电子阀组并进行实验验证。研究结果表明：（1）适用于直流开断的IGCT串联静态均压可通过并联静态均压电阻实现,负载侧动态均压可通过并联缓冲阻容电路的无源缓冲方法实现;（2）缓冲电容越大、缓冲电阻越小,过电压就越小;触发信号时间差越大,不均压程度就越大;（3）10.5 k V/1.5 k A阀组开断实验不均压系数为5.71%,均压效果良好;（4）基于模块化电力电子串联阀组,进行了混合式直流断路器整体联调实验,3.0 ms时间后关断短路电流为3.6 k A,关断产生过电压为21 k V。通过实验验证了适用于高压直流开断的IGCT串联阀组均压方案的可行性,可以为实现瞬态开断的模块化电力电子串联阀组工程应用提供技术基础。     

一种经济型直流负荷开关的技术研究

为解决直流开关设备成本较高的问题，提出一种经济型直流负荷开关的技术方案。结合所提出的技术方案，研究电流基于电弧电压向电力电子器件自然转移与电流基于电力电子器件强制转移的技术原理；根据实际参数建立仿真模型，模拟了负荷电流及小电流的开断过程；针对原理样机进行开断试验，验证了所提技术方案的可行性。研究表明：所提技术方案可实现双向开断，无需辨别方向，3 ms内快速截断故障电流，且减少电力电子器件的使用数量，为经济型的直流开关研究提供一个新的思路。     

电阻型故障限流器电流转移特性研究

电流转移过程是电阻型故障限流器中的关键问题。针对基于真空开关与电阻并联的限流器中电流由真空电弧电流向并联限流电阻的转移特性进行研究。搭建了基于真空开关与限流电阻并联的试验研究平台,采用高速CMOS相机拍摄电弧,观测真空电弧转移过程中电弧发展变化。通过研究电流大小(5～15 k A)、限流电阻大小(10～4500 mΩ)、燃弧时间、电流频率等对电流转移时间、转移完成时刻电流等的影响,获得了电流转移特性的数学描述。讨论了横向磁场对电流转移特性的影响,为电阻型故障限流器的结构及优化奠定了基础。     

平板触头分离过程直流真空电弧形态与电压特性

基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器是直流开断技术的有效方式之一,其参数设计及开断能力与电弧形态演化密切相关。利用可拆卸真空灭弧室,对直径为45?mm的CuCr50平板触头,在1~8?kA的近似恒定直流条件下分离过程中真空电弧的形态演化规律和电弧电压特性进行了研究。实验结果表明:触头分离初期,电弧集聚在电弧引燃处;随着开距的增加,电弧逐渐扩散。当电流小于5?kA时,电弧始终呈扩散型,电弧电压噪声较小;当电流大于5?kA,电弧能扩散到整个触头表面,但电弧初始引燃处多发展成阳极亮斑,且燃弧时间大于1.5?ms后,电弧电压噪声分量急剧增加。实验结果可以用于指导混合型直流真空负荷开关的设计。     

基于耦合负压回路的高压直流断路器集成化设计

多端柔性直流系统在可再生能源、孤岛供电方面有显著优势,为保障柔性直流电网的安全运行,需要研究能够在毫秒内开断故障电流的高压直流断路器。根据南澳±160kV柔性直流系统对高压直流断路器的开断参数需求,采用基于耦合负压回路的高压直流断路器拓扑设计,提出了一种低杂散电感的电力电子支路串联拓扑结构。通过对电力电子支路阀串的关键器件及串联结构设计进行校核分析,完成了电力电子支路阀串的模块化设计,通过断路器集成整体的抗震分析验证了各部件的设计强度,最终设计出了基于耦合负压回路的±160kV高压直流断路器样机。     

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。     

高压直流断路器组件内IGBT关断瞬态电压过冲的关键影响参数

基于绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)的全控型混合式高压直流断路器是多端柔性高压直流输电工程的关键设备,其半导体组件内IGBT关断瞬态电压过冲是工程中需重点关注的问题,该文以典型的IGBT全桥拓扑结构的半导体组件为例,研究了半导体组件内部的母排杂散电感对IGBT关断瞬态电压过冲的影响,揭示了母排杂散电感对IGBT关断瞬态电压过冲的影响机理,获得了IGBT关断瞬态电压过冲关于组件内不同母排中杂散电感的灵敏度;在研究高压直流断路器中IGBT关断机理的基础上获得了包括IGBT器件本身的物理特性参数在内的影响关断瞬态电压过冲的关键参数及其影响规律,最后通过试验验证了理论分析的正确性。研究结果表明:组件内电容支路杂散电感对IGBT关断瞬态电压影响最大,其应作为重点优化对象;除杂散电感外,IGBT的栅极氧化层电容、关断过程集射极电压快速上升时对应的拐点电压以及栅极驱动电阻为影响IGBT关断瞬态电压的关键参数,且均与关断瞬态电压呈负相关性。该研究结论可为半导体组件内部杂散电感的控制、栅极驱动电阻的选择以及IGBT器件的选型或定制提供指导。