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。     

基于高速摄像同步触发技术的多信息集成测量系统的研究

在设定的电流和电压条件下,为了准确验证或描述断路器分断过程的动态特性,开发了一种多信息测量系统。采用模拟信号作为触发信号,实现了在触发采集电流与电压波形的时刻同时触发高速摄像机。使用测量系统可以确定断路器分断过程中任意时刻的电流、电压值以及对应图像的关系;同时对电流、电压值与图像之间的同步误差以及降低同步误差做了分析。使用测量系统可以准确、高效地验证或描述断路器动态特性。     

塑壳断路器操作机构分断速度的影响因素

操作机构的动态特性是决定低压塑壳断路器分断性能的重要因素.采用多体动力学方法仿真塑壳断路器机构的分断过程,并用实验加以验证.在此基础上,仿真分析了各种结构参数对断路器操作机构分断速度的影响,包括分断弹簧、各连杆的转轴位置等.     

混合式高压直流断路器型式试验及其等效性评价

混合式高压直流断路器型式试验的目的是检验断路器的功能性是否满足设计要求。混合式高压直流断路器型式试验设计及试验等效性评价原则展开研究。首先基于断路器工作原理和运行工况并通过断路器PSCAD/EMTDC器件级运行数字仿真模型解析了分断过程和换流过程相关应力特性和影响因子,然后在应力分析的基础上提出了断路器型式试验关键项目,最后提取了混合式高压直流断路器型式试验等效性评价方法的核心,即具备工程实践意义的断路器应力等同关键参数。文中建立了基于整机应力和部件应力核心参数以及核心参数之间独立性和相关性联系的等效性评价方法,该方法能够正确评估断路器型式试验的等效性。     

IGBT串联阀混合式高压直流断路器分断应力分析

混合式高压直流断路器分断操作是体现断路器本质特征的核心功能。断路器分断故障大电流这一暂态过程中产生的应力是断路器电气特性研究的重点。应力分析是断路器电气、结构和试验系统设计的理论基础,其相关研究尚属空白,需要进行全面详细的解析。该文首先在断路器拓扑结构和分断运行分析的基础上研究混合式高压直流断路器毫秒级分断全过程和微秒级换流过程相关应力特性,并论述两种时间维度暂态过程之间的联系。然后,建立的断路器PSCAD/EMTDC器件级运行数字仿真电路验证毫秒级分断过程和微秒级换流过程相关应力特性及其影响因子。最后,实施的200kV断路器整机,100kV、50kV断路器单元以及单一电力电子模块分断试验结果验证仿真电路和数学分析的准确性。该文结果可指导IGBT串联阀混合式高压直流断路器电气结构和试验系统的设计。     

基于柔性体理论和瞬态动力学方法的中压直流快速操作机构结构强度分析

中压直流断路器快速操作机构的结构强度分析一直是机构设计和优化中的难点问题。笔者基于柔性体理论和瞬态动力学方法建立了适用于中压直流断路器快速操作机构结构强度分析的全柔性体动力学模型。相比于传统的仿真模型,提出了机构斥力盘分布式载荷的施加方法,并且考虑了机构高速运动过程的洛伦兹力和惯性力耦合作用,可以更精确地求解运动部件的应力分布。文中利用该模型分析了机构高速分闸过程可动部件的结构强度,获得了关键部件的动态应力应变分布并且与实验结果进行了比对,验证了仿真模型的有效性,为高速机构结构强度优化提供了指导和依据。     

直流断路器分断试验等效评价标准及其考核方案

直流断路器作为新型电力装备,目前国际上尚无相关的试验标准,其等效分断试验方法有待深入研究。相较于交流系统故障电流存在自然过零点,直流断路器实现直流故障电流分断的关键在于通过自身不同支路间的换流过程,建立起大于直流系统电压的暂态开断电压来抑制故障电流。然而,现有分断试验对于暂态开断电压建立阶段关键部件电压相关应力考核尚属空白。首先,详细分析暂态开断电压建立阶段关键部件电气应力,在明确需要重点考核的应力基础上,提出能够覆盖整个分断过程的直流断路器分断试验等效评价标准。然后,提出分断试验等效系数k,并根据系数k对现有分断试验电路参数进行设计,在复现所提等效标准的同时,提高试验的经济性及可行性。最后,按照所提参数设计方法,针对50kV断路器单元进行分断实验验证,实测等效电容电压与仿真预期误差为0.36%,证明试验电路参数设计方法的正确性。所提直流断路器分断试验等效评价标准解决了现有分断试验应力考核不完善的问题;分断试验电路参数设计方法可为“100%”复现所提关键应力提供经济、可行方案。     

弹簧疲劳对高压SF6断路器机械特性的影响研究

机械特性对高压断路器的开断性能具有重要的意义。文中以配弹簧操动机构的126 kV高压SF_6断路器为研究对象,实验测量了分合闸弹簧的疲劳曲线,在分析弹簧疲劳机理的基础上,基于弹簧应力松弛过程的理论模型建立了预测弹簧疲劳的线性回归方程;建立高压断路器弹簧机构多体动力学模型,根据高压断路器实际工况进行动力学仿真,从而对高压断路器的机械特性进行计算分析;在此基础上分析了高压断路器投入使用不同年限情况下的分合闸行程、速度随时间的变化特性,揭示了高压断路器在不同疲劳情况下的特性劣化变化规律,实现了高压断路器全寿命周期的机械状态预测。     

融合连续过渡模型与Helmer模型的真空断路器开断模型研究

真空断路器广泛应用于中压等级电网中,在频繁操作场景下易出现过电压问题,而真空断路器的弧后暂态过程直接决定了其分断特性和过电压特征。为解决现有真空断路器模型难以同时对其弧后过程和高频特性仿真的问题,该文搭建了融合连续过渡模型和Helmer模型的真空断路器开断模型,并通过试验和计算确定其仿真参数。以切除35kV系统用并联电抗器为例,研究该真空断路器融合模型与连续过渡模型和Helmer模型计算结果的差异。结果表明,融合模型能够同时考虑弧后介质恢复过程中重击穿和冷间隙重击穿现象;其弧后参数计算与连续过渡模型基本一致,高频开断特性和Helmer模型较为接近。通过分析高频开断过程中的鞘层生长和重击穿情况,可以得到引起真空断路器高频重击穿的主要原因。该文仿真结果验证了所提出的真空断路器开断模型的准确性,可为真空断路器高频分断条件下的弧后鞘层发展分析和重击穿原因判断提供参考。     

直流真空断路器模块的机械联动特性仿真与实验研究

基于电磁斥力永磁机构的直流真空断路器具有操作简单、分闸速度快等优点,在高压直流短路开断中起关键作用。通过有限元分析软件对这种直流真空断路器模块的机械联动动力学特性进行了仿真分析。根据仿真结果,调整了基于电磁斥力永磁机构的直流真空断路器模块样机,并对直流真空断路器模块的机械联动配合进行了测量。该模块进行了直流短路开断实验,成功开断了8.5kA的故障电流,电流下降率为50~240A/μs,验证了该直流真空断路器模块的机械联动可行性。     

特高压断路器几种开断试验回路比较

特高压断路器开断试验方法的研究是特高压输电技术发展需要解决的关键问题之一。根据开断过程中的电弧特性,基于Mayr电弧方程理论,建立参数化的PSCAD电弧电阻模型,通过对几种适用于特高压断路器开断试验的合成回路进行系统仿真分析,模拟了直接试验回路、Hitachi四参数试验回路和ABB的EPIC试验回路的开断过程,以直接试验回路为基准,对Hitachi回路和EPIC回路开断前后的电弧过程和恢复电压进行了比较。     

Planning scheduling strategies to suppress the magnitudes of fault currents

With traditional circuit breakers, the interrupter capacity margin is insufficient. To increase interrupting capacity, the circuit breaker can be upgraded or a device can be installed to suppress the fault current, thereby correcting the small fault current margin. In this paper, the power dispatch method is used to suppress the fault current. Simulations are performed and summarized to show the best scheduling policy for increasing the breaker capacity margin to allow for safe operation of the system. Scheduling policies take advantage of existing equipment, so there is no need for any additional purchases for the system. The proposed method will be able to significantly reduce the fault current directly and effectively compared to traditional practices.     

基于相关分析的同步断路器可控开断故障选相研究

可控开断故障电流能有效提高断路器的开断能力和延长其电寿命。断路器可控开断多相故障电流的关键是快速、可靠识别故障类型和故障相。笔者采用相关分析法获得特殊相的正、负序故障分量的相位关系,从而根据相位关系快速、可靠实现确定故障类型和相应故障相;采用MATLAB建立高压断路器开断故障电流模型,对提出的故障选相算法的性能进行了测试验证。测试结果表明,提出算法能够在故障发生后半个周期内准确识别出特定条件下的故障类型和故障相,为同步断路器可控开断故障电流实现提供了理论依据和实现基础。     

永磁饱和型高压直流限流器参数优化设计

随着高压直流系统短路电流水平的提升,故障电流可能超出断路器遮断容量,或使其体积与成本急剧增加。使用故障限流器抑制故障电流上升速度,能够降低对直流断路器性能的要求。其中,永磁饱和型故障限流器具有无需外加控制、自动响应、无需外加励磁电流和损耗较低等优点。目前限流器参数设计主要针对稳态电感值,考虑暂态特性的参数设计及优化方法仍待研究。为此,文中提出一种用于直流系统的永磁饱和型故障限流器参数优化设计方法。首先,介绍了该类型限流器的工作原理。其次,提出了限流器优化设计的约束条件和优化目标函数,以成本最低为目标进行了限流器参数优化设计。最后,建立了有限元和电路仿真模型进行仿真计算,并研制了一台限流器样机,进行了试验。仿真和试验结果表明:采用所提方法可以设计出符合要求的限流器,降低了限流器成本,减小了直流断路器分断过程中的应力。     

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。     

Reducing Interrupting Duties of High-Voltage Circuit Breakers by Increasing Contact Parting Time

The interrupting duty of high-voltage circuit breakers can be reduced by increasing the contact parting time, which is the sum of tripping delay and the circuit breaker opening time. The contact parting time is fixed; however, the tripping delay can be increased. Although this method is not discussed in current technical literature, it is valid according to the ANSI/IEEE standards. Immediate replacement of the circuit breakers or other alternatives to reduce interrupting duties can be avoided, resulting in large cost savings and process downtime. The problem occurred in a large paper mill distribution system, where the circuit breakers were applied well within their close and latch ratings but the interrupting duty exceeded by 6%. By introducing an additional tripping delay of one cycle, the interrupting duty is reduced and the existing breakers are retained in service. This paper demonstrates these calculations.      

低压断路器操作机构的动态仿真与优化设计

采用基于多体动力学原理的虚拟样机技术，建立了低压塑壳断路器操作机构的动力学模型，并通过试验测试了该型号断路器的机械性能，结果表明所建仿真模型的输出特性与试验结果吻合得较好，证明了模型的正确性。该模型的建立对于研究低压断路器的开断特性具有重要意义，也为进一步的优化设计提供了良好的平台。计及短路情况下电动斥力的影响，分断过程所需时问缩短了约2ms。设计研究的结果表明：上连杆的质心的y坐标和质量对动触头角速度影响最大，跳扣的质心位置和质量影响也较大。优化后动触头平均角速度提高了13．3％。     

基于WLMS算法的高压断路器可控开断故障电流研究

可控开断故障电流能有效提高断路器的开断能力和延长其电寿命。断路器可控开断故障电流的关键是快速提取故障电流参数,准确预测开断过程中电弧熄灭时的故障电流零点,确定断路器触头最佳分离时刻。采用加权最小均方差算法WLMS实现对故障电流参数估计,运用F0假设检验方法提取故障电流初始相角,并采用自适应算法改变采样数据窗,从而快速预测故障电流零点。采用MATLAB建立高压断路器可控开断故障电流模型和故障录波数据,并对提出算法的性能进行了测试验证,测试结果表明,提出算法能够在故障发生后10 ms内准确地预测出电流过零点,并且估计的电流零点误差小于±1 ms。     

一种新的特高压断路器合成试验回路

特高压断路器试验方法的研究是特高压输电工程发展的基础。该文根据合成试验回路的基本原理，提出了一种新的适用于特高压断路器大容量试验的新型合成试验回路。给出了该试验回路的详细拓扑结构，介绍了回路的工作原理。根据描述开断电弧特性的麦依尔(Mayr)方程，建立参数化的PSCAD电弧电阻模型。在此基础上，对回路的开断试验过程进行仿真，得到了T100试验时的电流电压波形。对暂态恢复电压、电流过零前的变化率等进行分析，并与ABB的增强型并联引入回路(EPIC回路)和IEC试验标准进行比较。结果表明，该回路可以满足特高压断路器的开断试验要求，并具有足够高的试验等价性。     

Key stress extraction and equivalent test method for hybrid DC circuit breaker

Firstly, relevant stress properties of millisecond level breaking process and microsecond level commutation process of hybrid HVDC circuit breaker are studied in detail on the basis of the analysis for the application environment and topological structure and operating principles of hybrid circuit breakers, and key stress parameters in transient state process of two time dimensions are extracted. The established digital simulation circuit for PSCAD/EMTDC device-level operation of the circuit breaker has verified the stress properties of millisecond level breaking process and microsecond level commutation process. Then, equivalent test method, circuits and parameters based on LC power supply are proposed on the basis of stress extraction. Finally, the results of implemented breaking tests for complete 200 kV circuit breaker, 100 kV and 50 kV circuit breaker units, as well as single power electronic module have verified the accuracy of the simulation circuit and mathematical analysis. The result of this paper can be a guide to electrical structure and test system design of hybrid HVDC circuit breaker.