一种混合式高压直流断路器的换流特性研究

高压直流电网发生短路故障时,为了系统安全稳定运行,直流断路器应在很短的时间内切除故障线路,而电流转移过程是断路器成功切断故障电流的关键。文中对级联全桥混合式高压直流断路器换流过程进行分析,着重研究了故障电流分断过程中断路器的3次换流过程,并建立换流过程的等效模型。在PSCAD/EMTDC中仿真分析了3次换流过程的主要影响因素及其影响规律,得到混合式断路器的换流特性结论,为研制开断时间更短、开断容量更高的直流混合式断路器提供参考。     

基于超导限流器混合式直流断路器开断特性分析

为了降低混合式直流断路器在直流配电网中开断故障电流时所承受的应力,提出一种基于电阻型超导与绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)控制限流电阻相结合的桥型电路拓扑结构的混合超导限流器,并对影响混合式直流断路器开断暂态特性的因素进行分析研究。该种桥型超导限流器通过IGBT可分级控制接入电阻,弥补故障时超导失超阻值大小不可调节的缺点,通过超导限流器和混合式直流断路器的配合,在故障前期由超导限流器抑制故障电流上升率,并当故障电流上升到断路器动作电流时,则令混合式直流断路器动作从而切断故障支路。为了分析含超导限流器直流断路器的开断应力,建立了含有超导限流器与混合式直流断路器分断故障电流的暂态电网回路,并从理论上推导、分析加入超导限流器后,混合式直流断路器在开断故障电流时所承受的应力变化。最后通过在MATLAB/Simulink中搭建桥型超导限流器和混合式直流断路器的暂态回路模型,仿真验证所提超导限流器的有效性和实用性。     

混合式高压直流断路器暂态分断特性及其参数影响分析

混合式高压直流断路器(DC Circuit Breaker, DCCB)的本质是分断故障电流。分断暂态过程中的电气参数是决定断路器分断性能的核心所在。在分析DCCB拓扑结构的基础上,将断路器分断暂态过程划分为三个阶段。通过建立带DCCB的直流电网故障等效电路和断路器分断各暂态阶段的系统级等效电路,来分析分断过程中断路器自身的暂态特性。将断路器自身参数与直流系统参数联合起来,分别对断路器的两次换流过程进行详细分析。建立了断路器分断电流、暂态电压和开断时间的数学模型,推导断路器分断全过程中的分断电流以及最大暂态电压的计算表达式,并分析了断路器参数对分断性能的影响情况。利用PSCAD/EMTDC软件,搭建系统级混合式DCCB仿真模型,验证了所建立的断路器暂态模型的正确性及参数选取对断路器开断性能的影响。     

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。     

±500 kV双端柔性直流架空输电系统中混合式直流断路器重合闸操作暂态特性

±500 kV柔性直流输电系统采用架空线路输电方案时,输电线路出现暂时性短路事故的概率激增,需采用断路器实施重合闸以保障系统的可靠运行,目前直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)重合闸时的暂态操作特性尚不清楚。本文建立了含换流站关键设备和混合式高压直流断路器在内的双端±500 kV伪双极柔性直流架空输电系统模型,研究了柔性直流输电系统单极暂时性对地短路故障发生后,混合式直流断路器开断至重合闸过程的电磁暂态特性以及直流断路器关键参数对其开断和重合闸特性的影响。仿真分析表明直流断路器能够在5 ms内切断该故障;由于换流阀不闭锁,断路器开断后换流变阀侧电流未降至0。150 ms故障去游离时间后断路器可在4 ms内重合闸,换流变阀侧电流和极线电压将在200 ms内振荡上升至额定运行工况。此外,随着RCD支路电容C增大,断路器关断性能降低,而断路器重合时固态开关支路与机械支路电流转移速率则与RCD支路的电容C无关。研究成果可为±500 kV柔性直流架空输电线路断路器性能校验提供相应的数据参考。     

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。     

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。     

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。     

电流源型机电混合式直流断路器在特高压直流输电系统中的应用

传统机械式直流断路器通过在直流电流上迭加一个振幅逐渐增大的振荡电流来制造一个"人工电流零点",完成电路开断。这将导致该断路器在开断时会承受很大的正向电流,增大对断路器开关触头的损伤。针对传统直流断路器存在的这一缺点提出了一种新型电流源型机电混合式直流断路器,利用电力电子器件构造换流电路,控制产生大小和波形均可控的叠加电流,在产生过零点的同时减小电流的正向幅值,能有效减小高压直流断路器分闸时产生的电弧,减小对直流开关触头的损伤,延长其寿命。通过MATLAB/Simulink仿真验证了该断路器成功开断工况电流和故障电流,并大幅降低了正向电流。进一步以正在筹建的蒙西特高压直流工程为例,通过PSCAD/ETMDC仿真平台,模拟该断路器作为直流金属回路转换开关成功开断直流线路故障电流并保持系统电压稳定的过程。仿真结果验证了所提出的新型直流断路器能够快速有效地开断直流线路故障电流,可以作为单极闭锁的后备动作方案。     

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。     

一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路的研究

基于电压源型换流器的高压直流输电系统的故障电流幅值大、上升速度快,现有直流断路器的故障电流开断容量和开断速度受到很大挑战.提出一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路,利用饱和铁心型超导限流器及限流电阻共同作用实现阻感复合限流,并借助吸能电阻达到加速故障电流清除、缓解直流断路器开断压力的目的.根据直流故障暂态特性...     

一种新型混合式高压直流断路器的控制保护策略

以基于耦合负压电路强迫换流的新型混合式高压直流断路器为研究对象,介绍了该新型直流断路器的电路拓扑、工作原理,设计了高速光纤通信的模块化控制保护系统和基于高速故障检测的电流、电压及时间相结合的控制保护策略,详细分析了断路器的分闸、合闸控制时序流程及相应的自身各类快速故障保护。基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了该断路器控制保护策略的仿真模型,仿真结果表明采用该控制保护策略的断路器可有效开断直流电流、故障清除速度快、开断过程中动态特性良好及各部分电力电子器件均得到可靠保护,验证了提出的新型混合式直流断路器的控制策略和故障保护策略的正确性及可行性。     

一种新型混合式直流断路器

为了实现直流输电网和配电网中,直流线路故障电流快速分断,提出一种新型混合式强迫换流直流断路器拓扑。该断路器通过在通流支路中设置强迫换流回路,可在几毫秒内完成故障电流的分断,同时可实现机械开关的零电流关断;此外,即使断路器中半导体器件门极电源突然意外失电,断路器依然可以维持电流通路,从而提高了断路器的可靠性。详细分析了所提混合式断路器的工作原理和参数设计原则,并通过仿真验证了断路器能够快速分断直流故障电流。     

新型地铁用直流断路器建模与仿真

地铁用直流断路器是牵引供电系统总体保护的关键设备,然而在开断故障电流时,内部机械触头会引起强烈电弧而造成设备受损。提出一种新混合式拓扑,采用电力电子开关转移故障电流,缓冲支路抑制过电压和吸能支路限制电流上升率,实现地铁用直流断路器快速无弧的故障电流开断。在新型拓扑基础上分析了各支路的数学模型,在Matlab/Simulink平台上搭建系统仿真模型,并验证新型地铁用直流断路器的电流转移特性,结果证实该拓扑具有好的转移特性,切除故障时间明显少于传统式地铁用直流断路器。     

10kV自然换流型混合式直流断路器中真空电弧电流转移特性研究

围绕应用于?10kV直流配电领域中的自然换流型混合式直流断路器的电弧电流转移特性展开研究。开断过程中,机械开关支路在没有辅助换流装置的情况下,需要在真空电弧电压的作用下实现电流向主关断支路的转移。文中建立了真空电弧电流转移的数学模型,确定了电弧电压、转移回路电感电阻参数、电力电子支路的导通压降是影响真空电弧电流转移的主要因素。实验方面首先对具有不同触头结构及材料的真空灭弧室进行了电弧电压测量,实验表明真空电弧电压可以同电力电子支路进行配合;在此基础上,采用IGBT作为电力电子支路开关,进行真空电弧电流向电力电子支路的转移实验,并研究了回路电感电阻参数对于转移特性的影响;最后,设计实现了10kV自然换流型混合式直流断路器,并对开断进行了实验:真空灭弧室电弧电流在1.5ms内完全转移到电力电子支路,关断电流3.6kA、关断过电压21.4kV,验证了该方案的可行性。     

具备重合闸功能的经济型直流断路器研究

为解决机械式直流断路器不易实现快速重合闸、开断小电流不易判别方向等技术难题及混合式直流断路器成本较高的问题,该文提出了一种具备重合闸功能的经济型直流断路器拓扑。首先,结合该拓扑工作方式研究了电流基于电弧电压自然转移与基于电力电子器件强迫转移的原理;其次,根据实测参数建立系统模型,仿真了故障电流、负荷电流及小电流的开断过程,验证了不同电流的开断性能;最后,针对原理样机进行开断试验,验证了该方案的可行性。研究结果表明:该方案可实现40 ms内快速重合闸、3 ms内截断故障电流等功能,且减少了电子电子器件应用数量,为经济型直流开关设备的研究提供一种新的思路。     

混合式高压直流断路器内部组件电气状态仿真与分析EI北大核心CSCD

混合式高压直流断路器融合了机械开关、半导体器件、避雷器等多种组件,组件状态与断路器的开断可靠性密切相关。通过分析混合式高压直流断路器的暂态参量时序及故障电气特性,建立了级联全桥型混合式高压直流断路器的开断仿真模型,分析了断路器内部控制信号异常、避雷器劣化及绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)衰老退化等3种类型组件故障状态与暂态电气参量的关系,提取了各模块及支路间的电压比值Ku、Ku0、电流比值Ki、Kt、避雷器吸能比KQ及电流延迟时长σi、电压延迟时长σu等作为反映不同故障或缺陷的电气特征参量,并总结了不同故障状态对于断路器内部均压、均流、吸能特性的影响情况。结果表明,对于不同类型的组件故障,故障特征参量有较大的差异,可以体现内部组件及支路的均压、均流特征,反映不同组件故障状态特性。     

混合式高压直流断路器内部组件电气状态仿真与分析

混合式高压直流断路器融合了机械开关、半导体器件、避雷器等多种组件,组件状态与断路器的开断可靠性密切相关。通过分析混合式高压直流断路器的暂态参量时序及故障电气特性,建立了级联全桥型混合式高压直流断路器的开断仿真模型,分析了断路器内部控制信号异常、避雷器劣化及绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)衰老退化等3种类型组件故障状态与暂态电气参量的关系,提取了各模块及支路间的电压比值K_u、K_(u0)、电流比值K_i、K_t、避雷器吸能比K_Q及电流延迟时长σ_i、电压延迟时长σ_u等作为反映不同故障或缺陷的电气特征参量,并总结了不同故障状态对于断路器内部均压、均流、吸能特性的影响情况。结果表明,对于不同类型的组件故障,故障特征参量有较大的差异,可以体现内部组件及支路的均压、均流特征,反映不同组件故障状态特性。     

自然换流技术在地铁混合型直流断路器的应用研究

直流断路器是构成直流牵引供电系统的关键设备。目前,地铁牵引供电系统多采用空气式直流断路器,关断时间较长,且关断过程对灭弧栅片烧蚀严重。对此,提出一种基于自然换流的混合型直流断路器,适用于地铁直流供电系统。分析了影响混合型直流断路器开断速度的因素,对断路器方案进行了设计,采用IGCT作为断路器的固态开关。在MATLAB/Simulink上搭建了仿真模型并进行仿真验证,结果表明基于自然换流的混合型直流断路器换流速度快,可在4 ms内完成故障电流的关断。     

混合式直流断路器内部关键参数对电弧电流转移特性的影响研究

真空电弧电流转移是自然换流型混合式直流断路器开断过程中的一个重要组成部分。文中通过建立真空电弧电流转移的理论分析模型,得出影响真空电弧电流转移的主要因素为真空电弧电压、内部杂散电阻电感参数和电力电子器件的串并联结构。实验方面,通过改变电力电子开关中电力电子器件的串联或并联个数研究了电力电子器件的串并联结构对真空电弧电流转移特性的影响,通过改变电力电子开关中杂散电感或电阻的数值和所处位置研究了内部杂散电阻电感参数对真空电弧电流转移特性的影响。最后,探究了促进电弧电流转移的方法。本研究将为混合式直流断路器的结构设计和参数优化提供理论依据。