200kV直流断路器用隔离供能变压器均压设计

隔离供能变压器是高压直流断路器获取能量的核心设备,用于将地电位电能传输至高压直流极线中直流断路器,以保障直流断路器可靠稳定运行。该文介绍的200 kV直流高压隔离供能变压器由4个50 kV变压器级联而成。由于分布电容的存在,极线额定直流电压及冲击暂态过电压不均匀施加在4个变压器上,增加了单个变压器绝缘失效风险。为解决上述问题,该文对高压直流隔离供能变压器进行了电路分析,提取了分布电容参数,完成了均压方案设计及参数配置。在此基础上,通过仿真分析及试验验证均压方案设计将四级隔离变压器承受电压百分比偏差控制在±5%以内。研究结果表明,采用200 M?电阻与1 nF电容并联的均压方式,满足高压直流隔离变压器工程设计和运行要求。     

高压直流断路器电力电子器件供能技术

高压直流断路器受限于运行方式,其内部大量电力电子器件驱动板卡无法通过系统自取能工作,是高压直流断路器研制的主要难点之一。该文基于500kV高压直流断路器中电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板卡的负载特性,提出了对地级、层间级和组件级的分层隔离供能方法,开展了对地隔离供能变压器电磁场、机械和热的多物理场仿真研究,并对IGBT器件高电位驱动板卡的供能线圈进行了设计,通过有限元仿真模块Maxwell和电路仿真模块Simplorer搭建了供能线圈和驱动负载的仿真模型,进行了场路耦合联合仿真,最后在500 kV高压直流断路器上试验验证了所提供能技术的可行性及可靠性。结果表明:通过分层次的隔离供能,可为各层供能线圈提供稳定的输入电流,从而可靠地为电力电子器件高电位驱动板卡提供电源,不仅解决了高压直流断路器无法通过系统直接取能的难题,还能显著减小供能设备的绝缘水平要求,降低研制难度,并已在±500kV张北柔直工程中应用。采用多级串联的对地隔离变压器能够满足500 kV电压等级的绝缘要求,内部温升小于30 K,且能够满足9级烈度抗震要求。采用硅钢片工频取能的供能线圈能够满足高电位驱动板卡5 VA的负载容量要求,且结构尺寸小,易于大规模工程化应用。     

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。     

高压直流断路器供能变压器的设计与试验北大核心CSCD

混合式高压直流断路器的负载形式多样且复杂,针对其供能问题,文中提出了一种级联结构的隔离供能变压器设计方案,以满足±535 kV/25 kA混合式高压直流断路器分层次多目标的供能需求。其中最为关键的是对地隔离供能变压器,因此首先介绍对地隔离供能变压器的级联结构,并对电场、温升进行了仿真校核;然后进行了对地隔离供能变压器抗震性能的有限元计算分析,结果表明满足9级烈度地震的强度要求;最后进行了对地隔离供能变压器样机长期直流耐压下温升试验,以及单节隔离变压器高低温试验和输出绕组温升的测定,结果表明在长期直流耐压下,隔离变压器温升约18 K,电阻温升约33 K,电容器温升约12 K,而单节隔离变压器在高低温作用以及高温带载情况下,环氧树脂未发生开裂等问题,且满足绝缘要求,同时测试计算得到输出绕组温升约为26 K,与热仿真结果基本一致,另外通过试验验证了对地隔离供能变压器的绝缘性能满足要求。     

一种新型电感激励换流式高压直流断路器及其仿真研究

高压直流断路器是多端柔性直流电网中直流故障快速切除的关键设备,是柔性直流电网安全可靠运行的重要保障。针对已有电感激励换流式直流断路器存在的问题,研究提出一种新型电感激励换流式高压直流断路器方案,在转移支路上集成换流驱动电路,避免脉冲变压器副边线圈长期通流;并通过判断线路电流方向,在激发电流正半波内完成正反向换流,缩短反向换流时间,避免电力电子器件关断前的大电流冲击。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了新型直流断路器方案的可行性,正反向换流时间均小于50μs,短路电流开断时间小于3ms,具有通态损耗小、自然冷却、全电流开断和重合闸等特点。     

基于耦合负压原理的10 kV直流负荷开关设计

为满足柔性直流配电系统负荷电流频繁投切对开关操作寿命的高要求,解决直接采用直流断路器方案成本高、体积大的难题,文中研究了一种基于耦合负压原理的直流负荷开关方案。首先对其拓扑和工作原理进行了介绍,然后设计了基于双动结构和电磁斥力机构的主支路快速机械开关、基于耦合负压装置的换流单元和采用反串联拓扑的电力电子开关阀单元,最后,根据苏州某换流站工程需求,研制出10 kV耦合负压型直流负荷开关样机并进行试验验证。结果表明：所研制的10 k V直流负荷开关可在3 ms内开断额定电流和最大开断电流,且能连续动作,体积为目前国内同等参数最小,并具有低损耗、高机械寿命和高可靠性的优点,完全满足工程要求,同时为后续直流负荷开关产品的开发提供了参考。     

适用于高压柔性直流的混合式直流断路器

动态均压难、小电流下分断时间过长及经济性不高是制约混合式直流断路器应用和推广的因素,为此,提出一种适用于高压柔性直流的改进型混合式高压直流(HVDC)断路器拓扑方案.介绍了主支路电子开关和转移支路电子开关拓扑结构,并对关键元件设计给出了理论分析和说明.最后研制了500 kV混合式HVDC断路器样机,并搭建样机运行试验系...     

配电网用全固态混合式直流断路器研发

直流配电网以其控制灵活、稳定性高、电能质量好等优点,成为了未来配电系统的发展趋势。直流断路器作为直流配电网的保护设备,对于直流配电网的稳定性、安全性有着重要意义。提出了一种在直流配电网中应用的全固态混合式直流断路器方案。该断路器由三条支路构成,其主通流支路由晶闸管串联IGBT构成,转移支路由压接式IGBT构成,能量吸收支路由避雷器构成。对该断路器方案进行了仿真验证,并开发了10kV/1kA试验样机以及相关试验平台。试验样机在10kV和7.5kV电压等级下分别成功开断2kA和5kA短路电流。样机在10kV电压额定通流下效率大于99.94%。     

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.     

含直流断路器的多端柔直系统直流保护定值切换策略

南澳(以下简称NA)多端柔直系统加装机械式高压直流断路器后,为实现直流断路器连接的故障站能够被快速有效隔离,非故障站能在特定的运行方式下稳定运行,需要对系统直流保护策略进行调整,以适应系统新的运行方式。本文首先介绍了系统加装直流断路器前的直流保护配置,分析了加装直流断路器对直流保护策略的影响,提出了一种非故障站根据故障站差动保护信号进行定值切换,实现直流断路器隔离多端柔直系统故障的直流保护策略。采用PSCAD/EMTDC仿真对该直流保护定值切换策略的可行性进行了验证,现场试验结果也进一步验证了该策略的可行性。     

基于二极管钳位的电流转移型高压直流断路器

为有效提高电流转移型直流断路器的运行可靠性,降低结构复杂性和控制复杂度,提出了可用于正极和负极的两种二极管钳位式电流转移型高压直流断路器拓扑结构。该改进式拓扑将原断路器一半的通流支路改用二极管支路,同时添加了与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)组件相并联的旁路开关,以提升超快速机械开关分断失灵情况下对直流断路器本体的保护。在保证同等直流故障处理能力的前提下,其投资成本与电流转移型直流断路器具有可比性,不引入过高的投资成本增量。为验证二极管钳位式电流转移型直流断路器的有效性,在PSCAD/EMTDC内建立了一个三端单极直流网络模型。仿真结果验证了二极管钳位式电流转移型直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。     

基于等效电路的高压直流断路器均压电极设计

为研究直流断路器内冷水路中的均压电极设计问题,将直流断路器冷却水路物理结构等效为电路图,实现对散热器支路漏电流的仿真.仿真结果表明在结构中增加均压电极能有效降低散热器支路的漏电流,其中在进出水支路均设置均压电极时漏电流能降至最小,这为直流断路器的均压电极设计提供了理论依据.     

基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器

为了提高混合式直流断路器的开断能力,降低半导体器件的使用成本,提出了一种基于串联晶闸管强迫过零关断技术的具备双向开断能力的混合式直流断路器拓扑方案。在分析关断过程的基础上,推导了串联晶闸管阀与二极管阀组件反向恢复过程中均压回路的参数设计方法,然后以10 k V样机为例,开展了主支路和转移支路器件选型与参数设计,并搭建了10 k V直流断路器原理样机及其实验回路。研究结果表明：正常运行时,主支路由机械开关和少量的全控型半导体器件串联构成,其损耗较小;在开断电流时,故障电流首先转移至晶闸管阀支路,再通过放电回路注入反向电流迫使晶闸管阀过零关断,最后通过耗能支路吸收系统感性能量。原理样机实现了直流电压10 k V下短路电流峰值为8.8 k A的过零快速关断、且开断时间小于3 ms;转移支路可通过调整半导体器件的串联数量和选型大幅提升直流断路器的电压等级和故障电流耐受能力;串联二极管阀能在大电流关断暂态过程中抑制晶闸管器件的反向恢复过电压,降低晶闸管器件的损坏风险;在混合式直流断路器的换流和关断阶段,无需针对串联的晶闸管器件调整触发时间与匹配参数。综上所述,所提出的混合式直流断路器具有快速直流短路故障清除能力,可以作为未来柔性高压直流输电系统组网的工程实施方案之一。     

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。     

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。     

一起由系统电压波动引起接地变压器高压开关跳闸事件的分析

针对某光伏电站一起并网启动时接地变压器高压开关柜断路器误跳闸事件,结合故障录波器录波图形和继电保护装置的动作记录,对故障原因进行了分析,并通过试验进行逐项排查,最终确认由于系统发生接地故障,使接地变压器高压开关保护装置过电流保护启动,接地变压器高压开关柜断路器跳闸。通过对事件分析,提出了运行期间防止接地变压器误跳的反事故措施。     

基于电流注入的新型混合式直流断路器EI北大核心CSCD

混合式直流断路器是实现柔性直流电网故障电流快速阻断,最大程度地保障系统健全和可靠持续运行的关键装备。目前,基于全控型电力电子组件级联的混合式直流断路器存在造价昂贵、控制复杂及难以大规模应用等问题。针对这一问题,该文提出一种基于电流注入的新型混合式直流断路器,利用直流系统本身对振荡支路电容进行预充电,通过晶闸管控制振荡支路电容、电感发生谐振而辅助故障电流迅速换流,实现直流线路故障电流快速阻断。首先分析电流注入基本原理,然后,在此基础上提出基于电流注入的新型混合式直流断路器,并详细阐述其工作原理,最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证所提新型混合式直流断路器的有效性和适用性。     

基于耦合电感的直流故障限流器

柔性直流电网存在故障电流上升速度快、幅值高,感性元件储存能量大等问题,这造成故障电流难以分断,并且使得直流断路器的耗能支路承受巨大压力。为了限制故障电流峰值并且降低直流断路器耗能压力,提出一种基于耦合电感的直流故障限流器。当发生短路故障时,该故障限流器利用电感耦合特性等效投入电阻与电容组成的限流支路,以实现无延时的故障限流;当直流断路器分断故障电流时,该故障限流器利用耗能电阻耗散耦合电感储存的能量,从而分担直流断路器耗能压力,以达到降低避雷器容量需求、加快故障电流分断速度的目的。大量电磁暂态仿真结果表明,所提故障限流器具有良好的限流效果,能极大降低直流断路器的耗能压力。且该故障限流器制造成本低,易于实现。     

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。     

分体式能量耗散的直流线路故障快速隔离

混合式直流断路器（HDCCB）是目前实现直流电网故障隔离的可靠方法之一。然而,现有HDCCB普遍存在金属氧化物避雷器（MOV）耗能水平过高,故障隔离速度不足的问题。为此,该文提出一种分体式能量耗散的直流线路故障快速隔离方法,以传统混合式直流断路器拓扑结构为基础,增加一条旁路耗能支路（耗能支路2）,可通过直流断路器耗能支路（耗能支路1）快速耗散少部分能量以实现直流故障隔离,而后通过旁路耗能支路耗散直流电抗器和直流线路中的剩余能量。相比传统方案,该方案可大幅缩短故障隔离时间,从而减少电源馈入直流电网中的能量,有效降低单次故障隔离中的总耗能水平,同时采用分体式能量耗散结构可显著降低MOV的耗能水平以及并联支数,有助于动态均流。该文详细分析了该方案的工作原理及控制策略,并与现有方案进行了经济技术性对比,最终通过仿真验证了该方案的有效性。