±535kV混合式高压直流断路器绝缘结构设计及试验

高压直流断路器是实现直流组网的重要设备。以张北工程±535 kV混合式直流断路器作为研究对象,主要针对其绝缘结构进行分析和设计。运用PSCAD搭建了直流断路器的宽频模型,获得了其内部电压的分布规律;结合系统对断路器的整体绝缘要求,提出了直流断路器关键零部件的耐压水平;在直流断路器整体布局的基础上,结合运行环境、电压波形、电极型式等进行了等电位设计和绝缘配合设计;运用有限元法对直流断路器三维全场域模型进行了典型工况下的电场校核;在此基础上,对直流断路器的绝缘结构进行了试验验证。通过本文研究,提出了适用于直流断路器绝缘结构的模块化、分区域、分层级和单点就近固定电位的设计方法;直流断路器金具表面最大电场强度在雷电冲击电压下为27. 7 kV/cm,在分断过程中为19 kV/cm;直流断路器在型式试验中未发生闪络或击穿,满足了工程应用要求。研究结果可为高压设备的绝缘结构设计提供参考。     

高压直流断路器

在双端和多端直流系统中,以及一些非常规的直流系统中,都有可能用到高压直流断路器,对各种类型的直流断路器的试验研究工作已经在美国、欧州、日本和苏联进行了二十年;然而,至今仍没有一台能在全电压下运行的高压直流断路器投入使用。美国电力研究协会(EPRI)计划研制出两种有发展前途的直流断路器,并进行全尺寸现场试验,以确定它们的性能。邦维尔电力局(BPA)在美能部电力系统处的资助下,已经与 EPRI 共同完成这项研制工作。目前,洛杉     

直流断路器电流开断试验技术与试验回路

随着直流电力技术的不断发展,直流断路器在高、低压直流电网中的重要性日益明显,直流断路器的试验技术与试验回路设计、实施也成为容量试验站研究的热点。文中分别讨论了中低压直流断路器、高压直流断路器的电流开断技术、开断要求,以及开断试验回路的设计、实施和试验技术。所设计的中低压直流断路器电流开断试验回路一期调试结果为额定电压2 kV、额定短路电流82.6 kA/峰值126.2 kA,完全满足1.8 kV/80 kA直流断路器的试验需求,此外根据设备参数理论上的试验容量可以满足额定参数4 kV/125 kA直流断路器的试验需求。进一步讨论了高压直流断路器电流开断的合成和直接试验回路,并给出了以直接试验回路进行试验时的典型试验结果。文中的研究内容为大容量试验站进行中低压和高压直流断路器电流开断试验回路设计和试验实施具有一定的参考价值。     

基于LC电源的混合式高压直流断路器分断试验方法

直流断路器分断试验为运行试验中最为核心的部分,其有效性直接关乎直流断路器电气性能的验证。该文针对柔性直流电网用混合式高压直流断路器分断试验展开研究,目的在于提出具有工程可行性的分断试验方法和试验参数。首先,在对混合式高压直流断路器原理和工况分析的基础上,揭示了混合式高压直流断路器整机应力特性;然后,在应力提取的基础上,提出了LC电源试验电路以及参数;最后,通过200 k V断路器整机短路电流分断试验验证了试验电路和试验方法的准确性。实验结果可为混合式高压直流断路器试验系统设计提供参考。     

±800 kV特高压直流输电系统用直流断路器研究

本文详述了±800kV特高压直流系统用直流断路器的功能作用,介绍了直流断路器的工作原理及组成结构。依据实际特高压直流工程的有关条件与参数,应用PSCAD/EMTDC程序对直流断路器转换直流电流的过程进行了计算研究,获得了直流断路器的电流转换能力、恢复电压耐受能力及能量吸收能力等关键参数,为进行特高压直流工程用直流断路器的研制提供了依据。另外,文章还对直流断路器在试验室进行电流转换试验的试验方法与试验回路进行了分析和探讨。     

变电站直流屏检查及维护管理

直流屏作为高压供配电系统的重要组成部分,是保证电气系统安全稳定运行的重要条件,可为保护、事故照明及断路器分合闸操作提供直流电源,是电力系统控制和保护的基础。为确保直流屏在运行时能可靠地为电力系统提供直流电源,需对其进行日常检查及维护等工作。通过对某台直流屏检查及维护进行描述,介绍了试验方法及流程,对同类型设备维保具有借鉴及指导意义。     

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。     

柔直工程500kV机械式直流断路器容量试验

机械式高压直流断路器是张北±500 kV柔性直流输电工程的关键设备,其技术性能的可靠性是张北柔直示范工程系统安全稳定运行的可靠保障。由于高压直流断路器的运行工况复杂,仅依靠仿真和计算无法实现其性能的有效考核,因此容量试验是考核直流断路器的短时电流耐受能力、以及短路工况下的开断和关合能力,以及额定电流和小电流开合能力的唯一有效方法。文中介绍了张北柔直工程用500 kV高压直流断路器的容量试验技术、试验参数要求,以及试验回路的设计与实施。文中的内容为了解、执行和研究高压直流断路器容量试验提供了参考与依据。     

高压直流断路器耗能支路MOV关键技术

金属氧化锌避雷器(MOV)作为高压直流断路器的重要组成部分,具有电压等级高、吸收能量大(数百兆焦)的特点,工程设计难度大。该文详细开展了高压直流断路器MOV关键技术研究。首先,影响高压直流断路器MOV吸收能量的因素众多,MOV吸收能量计算和仿真难度大。同时详细分析了柔性直流系统运行方式、暂态保护控制策略、高压直流断路器的位置、故障点的位置以及故障类型对MOV吸收能量的影响,并以张北±535k V柔直工程为例,搭建七端仿真模型,归纳出直流断路器耗能支路MOV能量仿真方法。其次,高压直流断路器MOV能量巨大,需要涉及大量阀片串并联设计,该文从阀片生产工艺、一致性筛选试验、阀片配组、整体结构设计等方面开展多级阀片串并联的MOV一致性关键技术研究,同时设计多柱并联下MOV的监视和保护功能技术,提高其运行可靠性。最后,考虑到高压直流断路器中MOV的特殊应用工况,现有型式试验项目不能充分有效地考核其性能指标,还重点开展了MOV能量等效性试验和多柱均流测试的关键方法研究。高压直流断路器MOV关键技术研究涵盖了设计、生产与试验等各个环节,攻克直流断路器MOV设计难题,相关技术已经成功应用于张北±535 k V多端柔直工程。     

高压直流断路器技术

笔者着重从高压直流输电换流站用直流断路器的功能要求、主要性能、基本构成、开断原理及试验技术等方面进行探讨,分析了直流断路器和交流断路器在电流转换、环境耐受和开断性能等方面的区别,给出了直流断路器转换电流的计算公式,表明合理选择直流断路器绝缘件的爬电比距对于提高运行水平非常重要,且开断直流电流必须创造过零点。另外,还阐述了直流断路器与交流断路器有主要区别的性能试验,供中国高压直流断路器的研制者参考。     

具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器

针对直流电网目前面临的2个关键性问题:直流潮流控制自由度不够和直流线路故障,文中提出了一种适用于直流电网的具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器。首先,介绍了模块化多电平潮流控制器和混合式高压直流断路器的基本结构和工作原理。然后,提出了一种组合式高压直流断路器,介绍了它的基本结构、配置原则、控制方式和工作原理;基于单换流器直流侧故障分析模型,分析了组合式高压直流断路器处理直流线路故障的可行性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了四端柔性直流输电系统,分别对组合式高压直流断路器的直流潮流控制能力和直流故障处理能力进行了仿真。仿真结果表明:组合式高压直流断路器能够很好地控制直流潮流,并具有处理直流线路故障的能力。     

Novel topology of DC circuit breaker and current interruption in HVDC networks

With the emerging growth of high‐voltage direct current (HVDC) transmission in modern power systems, the HVDC grid has become a hot topic in recent academic research and real projects. In the DC grid, DC faults can have very serious consequences, and so the faulty DC parts need to be rapidly isolated from the system. Compared to the full‐bridge converters for the DC grid, DC circuit breakers are preferred to deal with this problem economically. In this paper, the self‐excited resonant DC circuit breaker is reviewed. Then, a novel scheme of hybrid DC circuit breaker is introduced, and the operation principle of the proposed circuit breaker is described in detail. Finally, a four‐terminal HVDC grid based on a modular multilevel converter (MMC) is used as the DC test system in PSCAD/EMTDC to verify the validity of the proposed DC circuit breaker. From the simulation results, it is seen that the proposed DC circuit breaker has advantages on current interruption time, voltage on DC circuit breaker, investment, etc. © 2017 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

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。     

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。     

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。     

新型具有限流功能多端口高压直流断路器拓扑

直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)是提高直流电网安全稳定运行的关键设备。针对现有的DCCB投入的数量多导致成本过高、短路故障时电流过大、避雷器吸收能量过多等问题,提出了一种新型具有限流功能的多端口高压直流断路器拓扑(multi-port DC circuit breaker,MP-DCCB)。通过改进DCCB拓扑结构研究其性能,对新型拓扑的工作原理、故障分断过程进行理论分析,并给出相关参数及选取依据,最后用PSCAD软件搭建相应的仿真模型,并进行验证。与常规DCCB方案相比,故障电流减少了48.6%;避雷器上吸收能量、关断电流和关断时间分别减少了54.8%、52.4%和0.8 ms。该新型MP-DCCB具有良好的可靠性与经济性,仿真结果验证了所提新型具有限流功能的多端口高压直流断路器拓扑可适用于当前直流电网。     

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。