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。     

不同介质灭弧室串联的混合断路器仿真研究

提出采用真空与SF_6灭弧室串联构成的混合式断路器应用于高压直流领域,充分利用真空介质恢复强度快和SF_6介质恢复强度高的优点,在弧后初始阶段,真空灭弧室承受主要的暂态恢复电压(TRV),后期TRV主要由SF_6灭弧室承担。搭建了混合式高压直流断路器的仿真分析模型,分析了弧后动态电压分布与动态绝缘特性配合,并研究了混合式高压直流断路器的电流转移过程。在电流转移过程中不同介质灭弧室在不同阶段承受TRV可以提高混合直流断路器的开断能力,得到了最佳配合工作方式。为混合式高压直流断路器的研究奠定了理论基础。     

真空直流开断固有介质恢复强度研究

为研究直流开断过程中触头开距、燃弧时间及电流过零时的di/dt对真空开关开断能力的影响,对真空开关分断之后的固有介质恢复强度进行了测量,即不加恢复电压下触头间隙介质的自由恢复过程。文中设计了永磁–斥力混合式快速机构,并采用转移强迫过零开断的方法,在合成回路实验系统中进行了真空小电流直流开断。搭建了用于测量弧后固有介质恢复强度的高压脉冲产生电路,在电流过零之后采用单电源高压脉冲放电法测量了不同触头开距、不同燃弧时间及不同di/dt下的触头间隙的固有介质恢复强度。研究结果表明:该文实验条件下的直流开断过程中存在一个临界开距,在此开距范围内,选择较快的分断速度和较短的燃弧时间,能够提高电流过零后电极间隙的固有介质恢复强度。同等开距同样的燃弧时间下,选择较低的反向电流过零频率能够提高电流过零后的固有介质恢复强度。     

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。     

直流真空断路器大电流强迫换流分断特性分析与验证

基于有源强迫换流技术实现的直流真空断路器容易向中高压大容量场合拓展,是直流分断技术发展的重要方向。针对10 kV级直流真空断路器,进一步分析了大电流换流分断特性,并开展了换流分断过程的试验研究。研究结果表明:在燃弧电流峰值23 kA、电弧电流下降率300 A/μs条件下,真空断路器无法在电弧电流零点可靠熄弧分断,且真空间隙的弧后介质恢复过程存在一定的随机性和分散性。为了改善大电流弧后介质恢复特性,提出了串联二极管的直流真空断路器换流分断方案,利用二极管的反向阻断作用为大电流真空电弧提供一段"零休"时间。相同分断参数条件下的对比试验结果显示,在二极管反向阻断期间,尽管真空间隙可能会不断地重复进行"介质恢复–介质击穿–介质恢复"过程,但在此阶段的介质击穿不会导致电弧重燃,真空间隙最终均能在换流电容电压变为正极性前建立足够的介质强度,实现对直流大电流的可靠分断;同时在试验条件下,被试真空断路器弧后至少需要85μs才能完全恢复介质强度。     

小开距下直流真空断路器介质恢复试验及分析

介绍了一种能在小开距下分断高上升率短路电流的方法,并就其真空介质恢复特性展开试验研究。设计了等效真空介质恢复试验方案,从燃弧能量与零电压恢复时间两方面对真空介质恢复过程进行分析,得到直流真空断路器短路分断控制方法的设计依据。研制了额定1 000V/800A直流真空断路器试验样机,可在小于1ms内成功分断上升率约为20A/μs的短路电流,并将电流峰值限制在8kA以内。试验结果证明了所提出的小开距下分断高上升率短路电流的方法有效、可行。     

新型强迫换流型限流断路器真空介质强度的恢复特性

为了保证新型强迫换流型真空直流限流断路器关断短路电流的可靠性,对该型断路器分断过程的真空介质恢复特性进行研究。设计了与断路器关断过程等效的介质恢复试验方案,通过等效试验结果和理论推演公式的拟合,得到了新型强迫换流型限流断路器真空灭弧室触头打开过程的动态介质强度恢复规律。研究结果表明:减小燃弧能量、提高触头运动速度可提高真空灭弧室介质的临界击穿电压;综合考虑燃弧时间与燃弧能量及触头开距的关系,随着燃弧时间的增加,真空灭弧室临界击穿电压先减小后增大。所得介质恢复规律可以作为新型断路器优化设计的参考依据。     

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。     

混合型真空限流断路器短燃弧短间隙下的介质强度恢复试验研究

介质强度恢复特性是制定新型混合型真空限流断路器分断策略和设计其换流参数的重要参考依据。该文搭建了合成试验平台,对直径45mm平板CuCr50触头的真空灭弧室在直流20kA、短燃弧、运动短间隙下的介质强度恢复特性开展了试验研究。在触头以平均速度为3m/s分离的过程中,针对不同的燃弧时间,在电流以约为220A/μs的速率下降、强迫过零后的不同时刻施加上升率约为400V/μs的测试电压,以获得对应燃弧时间的介质强度恢复特性。研究结果表明:在100μs的燃弧时间内,触头间隙的介电强度均能以很快的速度恢复到静态耐压水平;燃弧时间增大到320μs时,触头间隙的介电强度很久不能恢复;燃弧时间继续增长,触头间隙是否被击穿具有不稳定性。由此得到了断路器的设计原则:在100μs的燃弧时间内,增大燃弧时间可使触头承压时的开距增加,提高真空灭弧室电流过零后的电压耐受裕度。     

双断口真空断路器的动态介质恢复协同特性

多断口真空断路器的串联断口间动态介质恢复协同作用对其弧后特性、开断能力有影响。为此搭建了双断口真空断路器试验样机,进行了合成回路试验,旨在得到双断口真空断路器的动态介质恢复协同特性。研究了不同间隙、不同触头结构、不同均压电容对动双断口真空断路器开断能力的影响,得到了不同组合方式下的开断增益特性,试验结果表明:双断口真空断路器最佳的组合方式是横纵组合方式且横磁触头在高压侧,这是由于这种组合电压分布更加均匀,由于真空间隙的变化影响电压分布特性,进而得到横纵组合方式最佳的间隙配合特性。通过试验得到了不同触头结构灭弧室的组合均压电容大小对开断能力的影响,均压电容选取在500~2 000 p F为宜,且两个纵向磁场触头结构组合在同期动作下开断能力最强。     

系统故障参数对真空断路器开断性能影响的建模与仿真研究

建立了基于扩散型真空电弧开断的真空断路器黑盒模型。以电流过零点为界,针对燃弧阶段建立了电弧电压模型,并根据试验数据确定了相关系数;针对弧后介质恢复阶段建立了基于朗缪尔探针理论的弧后电流模型,不同瞬态恢复电压（TRV）上升率对应的仿真结果与试验结果一致。基于所建立的模型,采用不同的方法评估了短路电流直流分量造成的真空断路器等效开断能力下降倍数,结果表明：燃弧能量法进行评估时最苛刻,转移电荷法次之,电流有效值法最轻。采用弧后电导表征真空断路器的弧后介质恢复程度,结果表明：TRV上升率主要影响弧后1.5 μs以后的介质恢复速率,而过零前短路电流下降率仅影响初始弧后介质恢复速率。最后给出了部分系统故障参数对真空断路器开断性能的影响规律。     

新型直流真空断路器强迫换流分断特性

基于强迫换流原理的新型混合型直流真空断路器是解决高上升率直流短路电流分断难题的有效方式。获知短燃弧、短间隙条件下真空开关大电流分断特性是快速直流真空断路器的研制基础。利用合成实验平台,研究了采用Cu Cr50平板型触头的真空开关,燃弧时间数百微秒,触头开距不足2 mm的条件下,分断20 kA左右电流的介质强度恢复特性。实验结果表明:真空开关分断电流17 kA时,以110 A/μs的速率换流过零后,经过41μs的近似零电压阶段的恢复,可以成功抗受10 kV/mm的电场应力,但延迟击穿重燃现象时有发生;分断电流21 k A时,电场应力不足5 kV/mm时,便会发生击穿重燃。通过触头结构设计,使开关分离拉燃电弧时形成双柱乃至多柱电弧成为改善真空开关分断特性的可行方法。     

真空断路器高频电流开断特性的影响因素和研究方法

对影响真空断路器高频电流开断特性的一些因素做了介绍。认为这些因素的综合效应决定了真空断路器的高频电流开断特性;电流在零值附近的变化率和触头间隙在电流开断后的介质恢复速率是影响真空断路器高频电流开断性能的决定性参数。并指出了利用计算机模拟的方法研究真空断路器高频电流开断特性的必要性。     

多断口直流真空断路器介质恢复强度研究

以126 k V模块化多断口直流真空断路器为研究对象,在连续过渡模型建模中考虑金属蒸气与离子密度的影响,给出中频真空电弧介质恢复动态数学模型;通过对其开断过程的数值仿真,得到断口间鞘层动态变化与介质恢复强度变化关系曲线以及弧后电流、瞬态恢复电压与新阴极表面电场强度分布。采用对比分析方法,研究各断口间瞬态恢复电压分配规律以及弧后介质恢复强度影响因素。研究结果表明:由于线路阻抗产生的瞬态恢复电压等因素使得各断口间开断电压及电弧能量分配不均,某一断口所受电压及电弧能量高于其他断口,金属蒸气初始密度大且弧后电流下降率较大,瞬态恢复电压上升速率更快,鞘层发展速度缓慢,新阴极表面场强较高,易发生重击穿从而导致断路器开断失败。在换流回路中采用较大电容以保证TRV合理分配,进而提高多断口直流真空断路器开断性能。     

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。     

混合型直流真空断路器小间隙下的分断特性

混合型直流真空断路器技术是舰船电力系统短路保护的有效方式,其换流参数的优化设计取决于真空灭弧室的分断特性。利用可拆卸真空灭弧室,研究了直径为45 mm 的CuCr50平板触头在直流3~5 kA,燃弧时间约为50μs,触头开距约0.5 mm 的分断过程中,灭弧室电流下降过零变化率di/dt对电弧性能的影响。实验结果表明：di/dt>90 A/μs时,灭弧室电流过零后继续流通;di/dt<60 A/μs 时,灭弧室电流过零截止,电弧熄灭,可以为介质恢复过程创造近似零电压的恢复条件。实验条件下,经过约50μs的近似零电压恢复过程,真空间隙介电强度恢复到静态耐压水平,击穿电压幅值主要受触头表面状态的影响。实验结果可以用于指导低压混合型直流真空限流断路器的研发。     

混合式直流断路器用真空机械开关及驱动电路的研发

混合式直流断路器综合了真空机械开关通态损耗低和电力电子组件响应速度快的优点,在中远距离直流高压输配电系统和中压直流微电网中得到广泛的应用.真空机械开关作为混合式直流断路器的关键部件,其分断速度直接决定了混合式直流断路器的开断性能.在前期研究的基础上,进行了电磁斥力机构及其脉冲电容驱动电路的方案设计,并利用有限元仿真分析平台,通过改变斥力线圈匝数、电容电压等关键参数对电磁斥力机构进行仿真计算,分析变化量对分闸过程的影响,并依据仿真结果研制了２kA 真空机械开关样机。     

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.     

真空与气体一体化串联机械开关及其直流快速转移应用

为提升中压混合式直流断路器的自然换流性能,该文提出一种真空与气体一体化串联机械开关,分析真空与气体一体化串联用于电流转移性能的工作原理。并基于此设计了双超程联动的真空与气体一体化串联开关实验样机,研究了气体类型、气压、触头结构、触头材料等参数对电弧电压特性的影响规律,确定了W70Cu桥式两触点结构,采用H₂和N₂体积比为2:3、气压为0.3 MPa的氢氮混合气体,弧压可由20 V提升到120 V,电流转移时间由1 900μs缩短至300μs。同时测试了静态瞬态开断电压(TIV)分布特性,真空间隙承担主要电压(55%),串联整机耐压水平为20 kV。验证了真空与气体一体化串联开关应用于中压混合式直流断路器的可行性和有效性。