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。     

双断口直流真空断路器延时开断仿真分析与实验

以30kV双断串联口直流真空断路器为研究对象,建立换流回路拓扑结构,采用连续过渡模型,考虑换流回路元件参数的影响,提出非同步下短路电流及暂态恢复电压计算模型,分析同步以及不同延时时间下(0.1～0.5ms)双断口直流真空断路器开断特性与暂态恢复电压分布差异。搭建机械式双断口直流真空断路器样机实验平台,在4.5kA短路开断电流下进行延时开断实验分析。仿真与实验比对分析的结果表明:由于机构分散性导致双断口直流真空断路器中的某一断口动作延时时,两个断口的暂态恢复电压分布存在差异;断口间暂态恢复电压分配不均,先动作的断口承受更高电压;延时时间0.5ms是成功开断的极限时间;延时时间越长,开断性能越劣化。     

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.     

机械式真空直流断路器弧后电流测量研究

机械式直流断路器弧后特性是表征其开断性能的重要参数.为获得直流开断过程中真空开关弧后电流峰值与时间、电流零点附近的di/dt、du/dt等影响规律,该文首先分析基于电流转移的机械式真空直流断路器弧后电流测量原理,设计机械式真空直流断路器弧后电流测量装置参数,搭建基于强迫过零方式的机械式直流开断实验平台,测量开断电流为1.5kA情况下机械式真空直流断路器弧后电流,讨论换向频率和恢复电压对弧后电流的影响.研究表明,基于电流转移的弧后电流测量装置可以有效测量弧后电流,弧后电流随着换向频率和恢复电压的增大而增大,恢复电压在相位上稍滞后弧后电流约100ns,且换向频率对弧后电流的影响大于恢复电压的影响,为断路器开断性能的优化研究提供了参考.     

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。     

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     

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。     

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。     

基于电磁斥力机构的直流真空断路器模块

基于换流技术的机械式高压直流断路器是目前110 kV以上直流线路控制和保护断路器的解决方案之一,其研发对发展直流电力系统的意义重大。目前此类直流短路开断的技术瓶颈在于基础模块设计与各模块运动特性的调控。该文提出一种基于换流技术的60 kV机械式直流真空断路器模块,该断路器模块由主开关、换流开关及换流回路三部分组成。主开关和换流开关均采用双断口串联形式,分别由4套联动的电磁斥力机构独立控制。根据两种机构的不同参数,运用ANSOFT仿真软件对机构斥力驱动力进行仿真,并选取不同的驱动电路实测了各开关的运动特性,给出了各机构的储能电容参数,该直流真空断路器模块能够满足在4 ms内达到对60 kV/16 kA故障电流成功开断的条件,可作为110 kV以上高压直流断路器的基础模块。     

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。     

模块化混合式高压直流断路器研究与应用

多端柔性直流与直流电网为提升大规模可再生能源并网与消纳提供了灵活高效的解决途径,高压直流断路器可实现直流电网故障区域快速隔离,是构建直流电网的核心设备。混合式直流断路器兼顾传统机械式和固态式优点,低损与快速开断特征满足高压大容量直流系统需求。该文针对模块化混合式直流断路器拓扑,详细阐述了其构成、基本原理与技术特点,完成了设计参数数学解析。结合舟山五端直流和张北直流电网应用需求,开发200kV和500kV等级直流断路器,开展部件功能与整机型式试验。建立PSCAD仿真模型,分析直流断路器应用于舟山工程开断性能,实现了200kV直流断路器工程运行,完成系统故障电流和人工短路试验电流开断。试验和运行结果验证设计正确性及样机性能,为灵活可靠的多端及直流电网建设提供了技术支撑。     

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。     

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。     

具有串并联结构的模块化多断口真空断路器静动态电压分布特性

为向基于光控模块的多断口真空断路器的静态、动态绝缘特性设计提供参考,建立三维有限元分析模型,计算126 kV U型布置的三断口真空断路器的静态电位分布和真空灭弧室内部的电场分布。利用110 kV振荡型合成试验回路,进行低电压、小电流三断口串联断路器样机的开断试验,测量三断口的瞬态恢复电压分布。计算和试验结果表明:三断口真空断路器的静态和动态电压分布不均匀,高压端断口的静态分压超过65%,串联样机进行试验时底部可以不安装支架;高压端断口的动态分压(瞬态恢复电压峰值)超过60%,1 000 pF均压电容可以满足低电压、小电流开断均压要求,高电压、大电流开断情况需进一步验证。     

10 kV直流配电网混合式断路器结构设计

基于10 kV直流配电网示范工程要求及二极管整流型混合式拓扑结构,文中首先介绍了直流断路器的整体布局结构;然后提出了阀组模块化设计方案,阐述了各模块的设计选型过程,通过理论计算及仿真分析设计了主支路散热系统及IGBT硅堆结构,研制了额定电压10 kV,额定电流1 kA,最大开断电流10 kA,开断时间小于3 ms的混合式直流断路器产品;最后试验结果表明:直流断路器在10 kV配电网中运用的可行性和有效性。     

±500 kV双端柔性直流架空输电系统中混合式直流断路器重合闸操作暂态特性

±500 kV柔性直流输电系统采用架空线路输电方案时,输电线路出现暂时性短路事故的概率激增,需采用断路器实施重合闸以保障系统的可靠运行,目前直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)重合闸时的暂态操作特性尚不清楚。本文建立了含换流站关键设备和混合式高压直流断路器在内的双端±500 kV伪双极柔性直流架空输电系统模型,研究了柔性直流输电系统单极暂时性对地短路故障发生后,混合式直流断路器开断至重合闸过程的电磁暂态特性以及直流断路器关键参数对其开断和重合闸特性的影响。仿真分析表明直流断路器能够在5 ms内切断该故障;由于换流阀不闭锁,断路器开断后换流变阀侧电流未降至0。150 ms故障去游离时间后断路器可在4 ms内重合闸,换流变阀侧电流和极线电压将在200 ms内振荡上升至额定运行工况。此外,随着RCD支路电容C增大,断路器关断性能降低,而断路器重合时固态开关支路与机械支路电流转移速率则与RCD支路的电容C无关。研究成果可为±500 kV柔性直流架空输电线路断路器性能校验提供相应的数据参考。     

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.     

极间短路条件下柔性直流输电系统电磁暂态特性分析

以南澳±160kV中压柔性直流系统为例,配合直流断路器的应用,利用PSCAD/EMTDC仿真软件分析了极间短路故障时系统的暂态特性。首先介绍了南澳直流工程的系统拓扑和主回路参数,然后结合不同保护策略分析了系统对直流断路器的参数要求,提出了系统与断路器配合时直流限流电抗的调整思路。最后研究了线路长度、故障位置和断路器动作对暂态特性的影响。仿真结果表明,直流断路器可以快速开断故障电流,限制电流峰值,通过调整直流限流电抗可以实现系统与断路器的配合。研究结果对柔性直流输电系统参数设置和器件及设备选型有一定参考价值。     

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。