混合式直流断路器快速机械开关特性研究及应用

国家大型风电、光伏等“绿色、低碳”新型清洁能源的并网消纳,迫切需要柔性直流输电新技术及新设备的开发研究。依托张北柔性直流电网试验示范工程,系统研究了混合式直流断路器的核心设备——快速机械开关。基于混合式直流断路器的工作原理及快速机械开关的性能要求,提出了多断口真空开关串联均压的高电压大电流快速机械开关实现方案;通过对快速机械开关分闸动态特性的有限元仿真计算,表明快速机械开关能够在2 ms内运动到耐受暂态开断电压绝缘距离;并通过电气性能试验对仿真计算结果进行了验证。研制成功的高电压大电流快速机械开关已投入张北柔性直流电网试验示范工程实际应用。     

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。     

直流断路器用快速机械开关的试验研究

根据张北500 kV柔性输电工程及混合式直流断路器技术要求,分析了混合式直流断路器快速机械开关应用工况设计要求,并确定试验参数。提出了满足混合式高压直流断路器要求的快速机械开关动态耐压性能及满足系统工况要求特殊电流耐受试验原理的试验方法,设计了试验回路,分析了试验方法的可行性。该试验方法及回路设计对直流断路器的设计研发具有指导性。     

高速机械开关单元多场耦合仿真优化设计

我国正在建设张北±500 kV柔性直流电网示范工程,混合式高压直流断路器是其关键控制和保护设备。快速机械开关单元是混合式直流断路器的关键部件,采用电磁操动机构,机械动作过程涉及电磁场、热场和机械位移场,需要进行多场耦合仿真优化设计。该文开展高速机械开关单元多场耦合仿真优化设计。首先,设计一种基于双线圈推金属盘驱动与双稳态弹簧保持操动机构的高速机械开关单元结构。然后,针对高速机械开关单元动作过程,提出一种能全面反映机构运动、触头碰撞和线圈温升情况的电磁场、热场和运动场多场耦合计算方法。最后,进行高速机械开关单元多场耦合仿真优化设计。初步确定高速机械开关性能提升关键因素,重点分析不同斥力线圈匝数对分闸时间、线圈允许温升及分闸反弹等关键技术指标影响,最终确定高速机械开关各项最优技术参数。仿真结果表明,该文设计高速机械开关单元能在1.8 ms内分闸到达额定绝缘开距,满足技术要求。该文的优化设计为混合式直流断路器快速机械开关优化设计提供理论指导,对于其他快速机械开关设计也有重要参考价值。     

混合式直流断路器电流转移开关核心性能研究与参数设计

主支路电流转移开关是混合式高压直流断路器的核心部件,其转移电流的成功将直接影响断路器开断功能,为实现其在断路器中高效可靠工作,该文对电流转移开关核心性能进行研究。采用定性分析结合定量计算的方法,分析电流耐受、电压耐受、转移能量和可用率等性能的影响因素,并依据张北±500kV柔性直流电网技术要求,设计500kV混合式断路器主支路电流转移开关参数,研制全尺寸样机,并对样机进行性能测试,测试结果表明设计方法满足要求,验证所提方法的科学性和合理性。     

利用直流断路器实现柔直换流器直流侧在线并网

高压大容量柔性直流电网中换流器的快速可靠在线并网是目前工程中亟须解决的问题之一。由于孤岛换流站不具备交流侧启动能力,需要通过直流侧启动实现换流器并网。为了限制直流侧充电电流,可利用直流断路器对换流器进行预充电。研究通过直流断路器分级合闸实现孤岛换流站在线并网的可行性,提出分级合闸过程中直流断路器电流应力以及避雷器能量的计算方法,并通过该计算方法对张北工程直流断路器的电气应力进行计算。在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立了张北柔性直流电网模型并进行了仿真测试,验证了其在直流电网中的适用性,通过仿真结果证明了计算方法的准确性。     

柔性直流电网单极接地短路电流计算方法

在柔性直流电网工程设计与直流断路器选型中，电网的短路电流是重要的参考依据。针对以架空线作为金属回线网络的真双极柔性直流电网，文章提出了一种单极接地短路电流计算方法。该方法的基本原理是通过建立单极接地故障时电网的状态方程求解柔性直流电网中的短路电流。以张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程为例，通过对比理论计算与系统仿真结果，证明了该方法的正确性与高效性。文中利用该方法分析了限流电抗器电感值等参数对短路电流的影响规律，为工程设计提供了一定参考。文章提出的计算方法可以广泛地适用于不同端数的基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter， MMC）的柔性直流电网工程，为柔性直流电网工程的参数设计与直流断路器的选型提供支撑。     

高压直流断路器残余电荷的分布及泄放

以张北柔性直流电网示范工程±535 kV混合式高压直流断路器为例,介绍了在直流系统停电闭锁后,高压直流断路器内残余电荷的产生原因及分布,并对电力电子开关器件缓冲回路及快速机械开关的触发回路储能电容残余电荷的泄放原理及方式进行阐述,为高压直流断路器的停电检修前残余电荷的泄放打下基础。     

高压直流断路器

正高压直流断路器利用电力电子器件开断直流回路,快速清除直流故障,对柔性直流输电系统的稳定、经济运行具有重要作用。桥式整流型混合式高压直流断路器由主通流支路、分断支路和耗能支路组成,利用IGBT分合控制,配合耗能组件实现大电流切除。2020年6月投运的张北柔性直流电网工程采用了世界上电压等级最高(±535 kV)、     

适用于柔性直流电网操作过电压分析的混合式高压直流断路器端口等效模型

柔性直流电网中混合式高压直流断路器动作时会产生较大的操作过电压,但是目前尚缺乏针对直流断路器操作过电压仿真模型的研究。针对主流的混合式高压直流断路器,提出了用于柔性直流电网操作过电压仿真的断路器端口等效模型,同时介绍了该模型中各参数的计算方法。该模型的一个突出优点是,建模时仅需要知道一些原始设计指标和个别组件的动作时间,不涉及断路器内部结构与参数,减小了工程设计阶段断路器建模的难度。在实验室开展了断路器的短路电流分断试验,并利用提出方法建立了试验断路器的仿真模型,试验结果与仿真结果对比显示:该建模方法在仿真直流断路器操作过电压时具有较高的仿真精度,过电压峰值误差最大仅为3.1%。最后,通过张北工程的仿真模型验证了该模型在电网中也具有较高的仿真精度,多次仿真中过电压峰值误差最大仅为3.3%。     

混合式直流断路器IGBT关断能力提升技术研究

混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根据直流断路器IGBT的特殊工作条件和电气应力,分析影响IGBT关断能力提升的影响因素,分别从降低IGBT导通损耗、关断损耗和抑制IGBT关断过电压等3个方面提升IGBT的可关断电流能力。文中首先仿真不同回路参数对IGBT损耗的影响,通过优化IGBT退饱和能力和关断过程暂态特性,降低关断损耗,最终完成IGBT结温仿真校核。同时通过研究IGBT关断过电压的影响因素,仿真不同回路参数对IGBT过电压的影响,提出抑制IGBT的关断暂态过电压的具体方法。研制50 kV转移支路阀组,搭建试验平台,完成26 kA的大电流开断,IGBT稳态损耗和暂态损耗都得到有效控制,相关技术和研制设备已经应用张北工程±535 kV混合式高压直流断路器项目,具有十分重要的工程意义。     

适用于高压直流断路器的多断口串联高速机械开关同步性研究

多断口串联的高速机械开关作为混合式高压直流断路器的重要组成部分,其多断口间的同步性对高压直流断路器的开断性能有着重要影响。对多断口高速机械开关的拓扑结构和工作原理进行了研究,分析了操动机构的线圈参数、储能电容、环境温度、充电电压、控制系统等因素对同步性的影响规律,并提出了通过控制线圈内阻、储能电容值偏差和工艺等措施保证断口间的同步性。在此基础上,对张北多端柔性直流工程535 kV混合式高压直流断路器用高速机械开关的同步性进行测试,测试结果表明各断口的分散性在 ±0.2 ms内,为高压直流断路器的可靠开断提供了保证。     

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。     

一种限流式混合直流断路器方案

直流输电与交流输电相比,具有线损低、不存在系统同步运行稳定性问题等一系列优点。近年来,随着电压源型高压变流器等技术的迅速发展,柔性多端高压直流输电系统、直流输配电网以及直流断路器等关键技术与装备的研究受到了国内外的高度重视。文中简要阐述了机械式、全固态与混合式3类直流断路器的拓扑结构、工作原理、优缺点及国内外研究现状,指出高压直流断路器应以混合式为主要发展方向;提出一种限流式混合直流断路器方案并仿真验证了其可行性,该方案采用全/半控器件串联构成固态开关再与机械开关并联的混合开关结构及故障限流技术,可有效抑制直流短路电流上升率,降低故障判断灵敏性与机械开关速动性的要求,减少高压应用场合下固态开关器件的串联数量(特别是绝缘栅双极型晶体管等价格昂贵的全控型器件),从而降低装置工程化实现的技术难度及其体积与成本。     

具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器

直流断路器是直流输电系统安全稳定运行的核心装备。提出了一种具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器(current limiting hybrid high voltage DC circuit breaker with reclosing function,RFL-HDCCB)。RFL-HDCCB拓扑利用限流支路的对称性,既实现了双向故障电流分断功能,又能够完成重合闸功能。无论是瞬时性故障还是永久性故障,都能够实现重合闸功能,恢复系统正常供电。分阶段对RFL-HDCCB的工作原理进行研究分析,然后对RFL-HDCCB进行了参数设计,最后利用PSCAD软件搭建起了系统仿真模型进行验证。验证结果表明,所提出的高压直流断路器与传统断路器相比,不仅能有效降低故障电流的上升率,减少对避雷器的耗能要求,而且降低了机楲开关的分断压力,限流能力明显,体现了所提方案的合理性。     

具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器

直流断路器是直流输电系统安全稳定运行的核心装备。提出了一种具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器(current limiting hybrid high voltage DC circuit breaker with reclosing function,RFL-HDCCB)。RFL-HDCCB拓扑利用限流支路的对称性,既实现了双向故障电流分断功能,又能够完成重合闸功能。无论是瞬时性故障还是永久性故障,都能够实现重合闸功能,恢复系统正常供电。分阶段对RFL-HDCCB的工作原理进行研究分析,然后对RFL-HDCCB进行了参数设计,最后利用PSCAD软件搭建起了系统仿真模型进行验证。验证结果表明,所提出的高压直流断路器与传统断路器相比,不仅能有效降低故障电流的上升率,减少对避雷器的耗能要求,而且降低了机楲开关的分断压力,限流能力明显,体现了所提方案的合理性。     

柔性直流换流站短路工况下直流场磁场计算建模及预测分析

对于安装有混合式直流断路器的柔性直流换流站,直流断路器分断故障电流速度快、内部换流时间短,由故障电流引发的磁场对直流场内二次设备的电磁影响尚不清楚。建立了混合式直流断路器分时段多路径的磁场计算模型,以及平波电抗器、直流母线的磁场计算模型,预测了直流侧发生双极短路故障时定海换流站和张北换流站直流场内二次设备处的磁场,获得了直流场磁场分布规律。计算结果表明：定海换流站和张北换流站直流场现有的二次设备处磁场强度峰值可能达到883 A/m和362 A/m;磁场强度峰值出现在故障电流达到峰值或直流断路器第二次换流阶段;直流场平波电抗器附近和母线布置较多的地方磁场较大。计算结果可为二次设备抗扰度考核和电气设备布置提供参考。     

基于ANSYS Workbench的高压开关断路器传动机构强度仿真计算

为了保证高压断路器传动机构在运动过程中机械强度的可靠性,可应用CAE仿真技术,在设计初期对高压断路器传动机构进行建模和仿真计算,然后根据各部件的计算结果,对强度薄弱部件的结构进行优化,进而提高传动机构的可靠性。以某高压开关断路器传动机构为研究对象,首先利用三维软件进行设计建模,然后根据传动机构动触头行程与拐臂转角之间的一一对应关系,应用CAE仿真软件ANSYS Workbench软件中的刚体动力学与瞬态动力学仿真模块,求解传动机构在运动过程中,各部件的最大应力随时间变化曲线。最后结合机械寿命试验,对ANSYS Workbench运动仿真计算结果的可靠性进行验证。结果表明,ANSYS Workbench运动仿真计算结果可为高压开关断路器传动机构设计提供依据。     

新型混合型限流断路器在直流电力系统中的限流特性研究

针对直流电力系统高di/dt短路电流难以分断的问题,开展了基于高速斥力开关的混合型限流断路器在直流电力系统中的应用研究.对限流断路器的工作原理、参数设计以及高速斥力开关的动作特性进行了分析,采用EMTP仿真分析了限流断路器在不同短路电流上升率下的限流特性.仿真结果表明限流断路器可将预期100 kA、时间常数5 ms的直...