配电网中压混合直流断路器的研究

随着VSC以及VSC-HVDC的快速发展,直流断路器作为其关键设备与关键技术,受到了国内外的高度重视。首先介绍了现有的各类直流断路器的工作原理,分析其优缺点,针对现有直流断路器缺点,提出了一种可改善其缺点的断路器,该方案采用IGCT作为固态开关与机械开关并联的混合开关结构,以及增加限流电路,可有效抑制直流短路电流在短路初期的上升率,开断短路电流时间短,具有较好的可控性,开断短路电流时机械开关动静触头产生的电弧小甚至没有电弧产生,正常导通状态损耗小。通过仿真验证了断路器能够快速分断直流故障电流。     

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。     

直流断路器技术发展综述

柔性直流输电和多端直流电网对能够快速开断大电流、可靠性和经济性好的高压直流断路器有日益迫切的需求。综述了直流断路器的拓扑形式,分析了机械、全固态及混合式等直流开断方式的特点及适用场合,指出混合式强制换流方案、机械式预充电人工过零方案更易满足高压大容量直流系统的高速开断要求。提出混合式直流断路器的研制重点在于提高机械开关的操动速度,减少元件数,提高可靠性与经济性;机械式直流断路器应重点关注详细拓扑、机械开关灭弧单元在人工零点下的极限开断能力、振荡回路参数优化和快速机构的研制。     

一种基于两阶段电流转移的新型直流断路器

基于高速开关(fast-opening switch,FS)和并联电容电流强制转移原理的混合型直流断路器在直流系统短路电流分断中具有广泛的应用。但是,通过单阶段转移将故障电流从FS转移至并联电容器时,由于转移过程持续时间短,电容器需要在很短的时间内吸收系统电感中存储的能量,因此高速开关触头间过电压上升速率非常高,容易引起FS发生击穿而导致开断失败。针对上述问题,文中提出了一种基于两阶段电流转移的新型直流断路器,通过转移电路的晶闸管控制故障电流分两阶段给电容器充电,不仅可以实现FS无弧打开,而且可以显著降低开断过程中FS两端的过电压上升速率。此外,分断完成后电容器上的电压极性与初始状态一致,不需要重复充电。文中基于MATAB Simulink对该断路器在中压直流系统中不同短路电流上升率情况下的分断过程进行了仿真,并且与传统的单阶段转移过程进行了比较。最后,利用合成回路模拟直流短路故障,完成了故障电流开断实验研究,验证了仿真模型的可行性。     

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。     

直流开断技术的进展与新型直流断路器

提出了直流系统对直流开断的新要求,分析了直流开断与交流分断的区别。同时介绍了几种直流开断新技术与新型直流断路器,包括无极性直流断路器、由交流派生直流断路器、密封充气式直流开关、自励振荡人工零点直流断路器,理清了直流开断技术的进展。     

模块化混合型直流断路器开断能力影响因素分析

基于半桥子模块拓扑的模块化多电平电压源换流器(HBSM-MMC)和直流断路器构建的柔性直流电网能够实现大规模新能源的并网和消纳,发展前景良好。柔性直流电网技术的发展主要限制于高压直流断路器,因此对高压直流断路器开断过程以及开断能力影响因素的研究十分有必要。文中首先研究了适用于HBSM-MMC柔性直流电网的模块化混合型高压直流断路器运行原理;并在此基础上详细分析了模块化混合型直流断路器开断时间的影响因素;然后研究了直流断路器过电压的影响因素;最后在PSCAD/EMTDC软件对柔性直流电网中直流断路器开断能力影响因素进行了仿真验证。通过文中的研究可知,通过降低机械开关开断时间、减小转移支路电容以及调整避雷器参考电压都能够提高直流断路器的开断能力。     

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。     

混合式直流断路器的发展现状及展望

混合式直流断路器是直流电网中实现直流电流开断和故障隔离最为理想的选择之一,该文总结了混合式直流断路器的发展现状。首先,根据直流断路器的拓扑结构梳理其技术路线,并进行对比分析。然后,针对混合式直流断路器的关键技术,围绕换流方式、电力电子开关、快速机械开关、控制保护和供能、能量吸收等方面进行综述。针对大容量直流开断这一世界性难题,国内外学者已开展广泛研究,提出了创新型拓扑结构,突破了高可控高可靠的故障换流、毫秒级超快速高效斥力机构、高裕度高稳定性电力电子开关、低残压快响应的耗能装置等关键技术。接着,对混合式直流断路器的应用场景进行分析,介绍了混合式直流断路器的典型应用。中国实现了世界上首套混合式高压直流断路器和首套三端口直流断路器的工程应用,并开展了世界上电压等级最高、开断能力最强的混合式直流断路器工程应用。最后,对混合式直流断路器的发展趋势进行展望与总结,为未来混合式直流断路器的技术发展、应用拓展提供参考。     

机械式高压直流断路器示范工程

正直流断路器从原理上主要可分为机械式、固态式和混合式三种类型。机械式直流断路器采用传统的交流断路器断口,再并联LC辅助电路,在开断直流时产生谐振,为断口制造电流过零,其结构简单、可靠性高、损耗小。机械式分无源型、有源型两种型式,其中有源型机械式直流断路器开断电流的时间可以做到几个毫秒,适用于多端柔性直流输电系统。     

新型高压直流断路器开断能力的研究

通过对典型高压直流断路器在开断大大直流时开断能力不足的问题的分析,在其电路拓扑的基础之上,引进了一个电阻元件,将该电阻直接并联于直流回路上,用于分流和减小直流电流的幅值。另外,在与该电阻元件并联的直流回路上设置了一台断路器装置,该装置能开断较小容量的直流回路,它能与主直流回路的断路器共同工作,最终开断大幅值直流电流。在Matlab/Simulink环境下,建立Mayr电弧模型,并在此基础上建立了新型高压直流断路器模型。通过仿真及其分析,表明在高压直流系统中,该新型直流断路器具有很好的直流开断能力。     

高压直流断路器开断试验方法综述

作为开断电流并隔离电网故障部分的保护设备,高压直流断路器对于未来的多端高压直流输电电网的发展尤为重要,高压直流断路器的开断可靠性需要通过试验验证。综述介绍了目前主要研制的高压直流断路器的基本拓扑结构,列出高压直流断路器的开断试验方法,分析了交流单频振荡法、电感储能直接试验法和短路发电机直接试验法以及合成试验法的原理及各自特点,提出了短路发电机直接试验法与合成试验法两种高压直流断路器开断试验方法为主要发展方向。     

三阶段电流转移混合型无弧直流断路器

针对高压直流电路存在开断困难的问题,提出了一种无弧直流断路器的拓扑结构。该拓扑结构采用三阶段的电流转移方案,解决了基于传统强迫关断原理的混合型断路器开断时,高速机械开关在打开瞬间有较大的反向恢复电压,需要给预充电电容另加充电电源的问题。通过等效数学模型对工作阶段的临界时刻进行数学计算以及对其推导的正确性进行仿真分析。分析结果表明,采用所提出的拓扑结构不但可以使机械开关无弧分断,而且分断速度较快。     

基于电弧电压的混合型直流断路器

混合型直流断路器同时具有传统机械开关良好的静态特性和固态开关无弧快速关断的动态特性,多端直流输电网络很大程度上依赖于直流断路器技术的发展。文中提出了一种基于电弧电压的混合型直流断路器,推导了电流换流物理过程的数学关系。通过有限元分析软件,进行了关键部件——电磁斥力机构高速开关的仿真计算。在以上基础上进行了1kA/15kV直流断路器样机的设计研制,试验结果表明,该样机的电弧最大换流能力为3kA,电流从高速开关向固态开关转移的过程呈指数关系,与理论推导相符。该样机能够在5ms内分断10kA短路电流,分断时间主要取决于高速开关开断速度以及电弧电压大小。     

直流断路器与直流故障限流器的匹配研究

快速直流断路器是切除直流电网故障必不可少的设备,而其开断容量难以达到直流电网的要求,通过限流器和断路器的配合能够有效提升断路器的开断能力,从而确保直流电网安全运行。文中在深入开展快速机械断路器的特性的基础上,对断路器与直流限流器的配合问题进行研究:首先,分析机械断路器的开断原理,通过MATLAB/Simulink建立直流断路器电弧特性仿真模型;然后,根据直流电网电压等级、开断电流大小和开断时间等不同要求,研究限流器对断路器开断时间、开断瞬间峰值电压的影响,仿真分析与之相匹配的限流类型及其参数值优化方法;最后,根据超导带材的数学模型,搭建了电阻型超导故障限流器(RSFCL)的仿真模型,用可变电阻模拟超导限流器失超过程的电阻变化,进一步分析限流器对开断过程的影响,上述工作对直流超导限流器的直流电网应用有重要指导意义。     

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。     

电容式直流断路器研究综述

电容式直流断路器在直流电网的应用前景广阔,是目前的研究热点。首先,根据电容的初始状态,将电容式直流断路器分为非预充电型和预充电型;开断电流时,这2种类型的直流断路器分别采用增大主通路阻抗的方式和电容主动放电的方式将系统电流由主通路转移到电容支路。然后,评述了几种典型的电容式直流断路器拓扑和工作原理,对不同直流断路器的快速机械开关分闸模式、运行损耗、快速重合闸能力、预充电方式、小电流开断速度和预转移能力等主要运行性能作了对比分析。最后,给出了电容式直流断路器的相关研究建议。     

串联谐振型FCL对高压断路器开断短路故障的影响

基于串联谐振型故障限流器的等效分析模型,分别针对短路出线故障和近区故障,详细研究了限流电感及其并联杂散电容对短路电流、断路器瞬态恢复电压第一个峰值以及瞬态恢复电压上升率的影响,并综合以上指标得到了断路器苛刻度的变化规律。研究表明,选取合适的限流电感、采取合理的措施改变限流电感并联杂散电容能够有效地降低断路器的苛刻度,有利于断路器对短路故障的开断。     

一种强制换流型混合直流断路器方案

作为高压直流输电的关键设备之一,直流断路器受到了广泛的关注。混合直流断路器继承了机械断路器通态损耗低与固态断路器开断迅速的特点,是目前直流断路器研究的主要方向。文中着重分析了影响基于全控型电力电子器件的强制换流型混合直流断路器开断速度的因素,针对辅助换流电路中缓冲电容放电回流影响机械断路器动作时间以及能量吸收电路吸收能量的时间问题,提出一种强制换流型混合断路器方案,该方案能够防止缓冲电容电流回流,同时减少避雷器吸收能量所用时间。对该断路器各个工作阶段的数学模型进行了数值分析,通过Pscad/EMTDC软件对故障状态混合断路器开断过程进行仿真,并且与典型强制混合直流断路器开断过程进行比较,验证了该方案切实可行。     

基于抑制起弧原理的中压无弧直流断路器

直流断路器是多端直流输电和直流配电网的关键设备。机械式和混合式直流断路器面临的困难是开断过程中触头间存在燃弧问题。文中讨论了产生电弧的电场强度和电压条件,并通过大量实验统计分析,总结出了抑制起弧所需满足的电场强度和电压条件。设计了抑制起弧的辅助缓冲电路,用以限制开断过程中触头间电压的上升,使其低于由机械开关速度决定的触头间介质绝缘电压,从而实现了直流断路器的无弧开断。通过仿真和低压模拟实验验证了抑制起弧原理和缓冲电路设计的正确性和有效性,并分析了中压无弧直流断路器的可行性。