混合式直流断路器用快速机械开关灭弧室的结构优化

混合式直流断路器集合了机械式断路器通态损耗小和固态断路器开断速度快的优势,在直流输配电领域得到了广泛关注.机械开关的性能决定了混合式直流断路器的开断性能,为提升其性能,利用COMSOL建立了机械开关用真空灭弧室的三维模型,仿真分析屏蔽罩形状、触头间距、触头圆倒角度等因素对真空灭弧室内电场、电位分布的影响规律.研究结果表明,采用屏蔽罩外卷结构且卷边半径为3 mm时,灭弧室内电场分布较为均匀,相比无卷边结构主屏蔽罩结构降低了16.63%.触头倒圆角半径为3 mm时,电场分布效果最好.

快速机械开关机械特性和结构强度研究

电磁斥力机构是快速机械开关的核心部件,在快速合闸和分闸过程中巨大的电磁驱动力会给电磁斥力机构和整个机械传动系统带来强烈的瞬态冲击。针对该问题,文中对电磁斥力机构在合闸和分闸全过程中的机械特性和结构强度进行了研究。采用LS-DYNA建立快速机械开关的有限元仿真计算模型,并求解得到合闸和分闸全过程各零部件的机械运动特性和瞬态冲击强度。采用激光测距对某单断口快速机械开关进行了实验测量,得到合闸和分闸过程的时间—行程特性曲线,实验测量结果和仿真计算结果匹配良好。最后对仿真计算模型进行参数优化,从而降低合闸弹跳、分闸过冲与反弹并减少零部件内部的瞬态冲击应力。文中的仿真计算方法和所获结果能为快速开关的运动特性分析、瞬态强度校核和设计参数优化提供指导。

混合式高压直流断路器中的快速机械开关研究

针对能够应用于±160 kV南澳多端柔性直流工程的混合式高压直流断路器中的关键部件——快速机械开关进行了仿真试验研究。研究了快速机械开关采用两个80 kV的SF6断口串联方案,利用Ansoft Maxwell有限元软件对断口进行了电场仿真,结果表明断口动、静触头开距为15 mm时能够满足耐受80 kV直流电压的要求;研究了采用电磁斥力机构作为断口的快速操动机构的可行性,设计了电磁斥力操动机构样机,试验论证了快速机械开关可以在3 ms左右分闸到位。

基于快速机械开关的10kV电容器组选相关合方案

为了减小随机关合电容器组引起的合闸涌流,并弥补选相关合采用的常规断路器动作较慢的不足,提出了基于快速机械开关的10kV电容器组选相关合方案,分析了变电站典型配置电容器组在不同连接方式下的选相控制策略,根据GB/T 30846—2014要求,对12kV快速机械开关开展了预击穿特性试验,获得了开关触头间隙的预击穿特性曲线,得到了绝缘强度下降率(RDDS)为9.04k V/ms;测量了快速机械开关在不同控制电压下的合闸时间分布,得到了快速开关平均合闸时间为13ms,机械分散性0.4ms。利用预击穿特性试验和开关机械分散性试验结果,计算了电容器组选相最佳关合相位,制定了选相关合方案:关合目标相位为电压零点,关合窗口为(–0.4～0.4)ms;并开展了选相关合特性试验,结果表明选相关合点均落在关合窗口内,验证了选相关合方案的有效性,为基于快速开关的选相控制技术在10～35kV电容器组关合的应用提供了依据。

基于涡流感应原理的快速机械开关电磁缓冲影响因素研究

快速机械开关作为500kV混合式高压直流断路器的核心部件之一,要求在2ms内分闸,并耐受高达800 kV暂态分断电压,其2 ms内分闸耐压的速动性是混合式高压直流断路器对快速机械开关提出的核心技术要求,也考验了快速机械开关自身缓冲装置的可靠制动能力。考虑快速机械开关需满足高压直流断路器快速重合闸功能设计,传统的液压油缓冲、聚酯氨缓冲和气体缓冲均无法满足快速重合闸工况下的二次缓冲问题,文中分析了500kV混合式高压直流断路器快速机械开关的快速分合闸、重合闸等运行工况,提出了一种基于涡流感应的电磁缓冲方法,研究了电磁缓冲的数学机理,建立了电磁缓冲的有限元仿真模型,分析了缓冲电容容量、缓冲电流和缓冲力对电磁缓冲性能的影响。研制了500 kV多断口串联快速机械开关,并在张北500 kV混合式高压直流断路器进行了试验验证,验证了仿真分析的正确性。该技术对于快速机械开关的电磁缓冲系统和控制设计具有实际的工程指导意义。

快速机械开关线圈型电磁斥力机构优化设计

基于线圈型电磁斥力机构的快速机械开关是混合式高压直流断路器核心设备之一,其小于2 ms的快速动作特性和可靠性对直流断路器开断性能至关重要。为改善快速机械开关的动态特性和能量转化效率,建立了线圈型电磁斥力机构的有限元模型,仿真分析了线圈、储能电容和充电电压对快速机械开关动态性能的影响,并采用粒子群优化算法对快速机械开关的线圈型电磁斥力机构进行优化设计。优化结果表明快速机械开关触头2 ms的运动位移以及能量转换效率得到提高。最后研制了舟山工程200 k V高压直流断路器用快速机械开关,对优化设计后的快速机械开关进行动态性能测试,验证了优化算法的有效性。文中提出的优化方法也为更高电压大电流等级快速机械开关提供设计指导。

高压直流断路器用快速机械开关电磁缓冲研究

基于电磁斥力机构的快速机械开关是混合式高压直流断路器的核心设备之一,其几毫秒内分闸到位的速动性对直流断路器至关重要,然而其速动性对开关的缓冲提出了更高要求。文中提出了一种适用于电磁斥力机构分闸过程的电磁缓冲方法,介绍了电磁斥力机构和电磁缓冲的基本工作原理,并建立电磁斥力机构电磁缓冲装置的有限元模型,结合其原理仿真分析了缓冲储能电容容量、初始电压和缓冲触发时间对电磁缓冲性能的影响规律。最后对舟山示范工程200 kV直流断路器用快速机械开关进行了电磁缓冲试验,验证了仿真分析的正确性。文中对电磁缓冲的设计和控制提供了一定的指导。

基于多策略粒子群算法的500 kV直流断路器用快速机械开关优化设计

快速机械开关作为混合式直流断路器系统的关键设备,其操动机构多选用电磁斥力机构,电磁斥力机构的磁场电场相互耦合,仅通过控制变量法难以从整体上对电磁斥力机构进行优化设计。为此,提出一种多策略改进粒子群算法,并将其应用到斥力机构的参数优化中。首先,利用Ansoft Maxwell仿真分析了电磁斥力机构的线圈盘尺寸、金属盘尺寸和放电回路参数对快速机械开关动态性能的影响,确定了主要的优化设计参数;其次,针对基本粒子群的缺陷,结合重开端及反向学习策略进行改进并验证了改进后算法的优势性;最后,根据优化后的参数制造了样机并进行了动态性能测试。测试结果表明:优化后的开关的分断速度得到提高的同时减小了开关的总体积和成本,验证了优化设计的有效性。研制出的快速机械开关将投入张北±500 kV柔性直流输电工程使用。

500 kV直流断路器快速机械开关典型故障特性及可靠性提升方法研究

直流断路器是构建柔性直流电网不可或缺的关键设备。快速机械开关是直流断路器中承载电流、实现快速分合闸、耐受分闸恢复电压的核心组件,其结构复杂、动作速度快、电气应力严酷、可靠性要求高,因而设计研制难度大,任一环节出现问题均会影响直流断路器乃至柔直电网的安全可靠运行。然而,目前快速机械开关由于存在设计选型不合理、工艺管控不严格、试验考核不完善等问题,导致在实际工程应用中故障率较高。针对已应用于张北柔性直流电网试验示范工程的500 kV直流断路器,分析了直流断路器研制、调试、运行过程中快速机械开关典型故障的特性及原因。在此基础上,围绕快速机械开关典型故障从设计选型、生产制造、试验考核等方面入手,有针对性地提出可靠性提升措施,为500 kV直流断路器快速机械开关设计研制和运维检修提供了指导和依据。

直流断路器用快速机械开关的试验研究

根据张北500 kV柔性输电工程及混合式直流断路器技术要求,分析了混合式直流断路器快速机械开关应用工况设计要求,并确定试验参数。提出了满足混合式高压直流断路器要求的快速机械开关动态耐压性能及满足系统工况要求特殊电流耐受试验原理的试验方法,设计了试验回路,分析了试验方法的可行性。该试验方法及回路设计对直流断路器的设计研发具有指导性。

混合式直流断路器快速机械开关研究

文章研究了混合式直流断路器的核心部分——快速机械开关,主要分析其性能要求与原理结构。快速机械开关需要在2ms以内达到开断电压的绝缘距离,且需要具备良好的动态绝缘性能与长期通流可靠性。快速机械开关结构为直动式结构,采用多断口真空开关串联方案,通过电磁斥力机构实现开关分合闸。分闸性能试验结果表明,快速机械开关可以在2ms内运动到开断电压的绝缘距离,可满足混合式直流断路器提出的性能要求。

基于正交试验的快速开关设计

电力系统对断路器开关分合时间的要求越来越高,目前在一些运行较为苛刻的工况下,要求分合闸时间都在毫秒级。传统的弹超机构和永磁机构断路器开关分合闸时间均较长,已无法满足日益增长的要求。因此,对基于电磁斥力原理的快速机械开关的研究也日益增多,且应用也日益广泛。目前电磁斥力型开关设计时较为重要的三个基本因素:线圈盘匝数、扁铜线截面积、电容电压,对电磁斥力的影响较为复杂。在设计电磁斥力型的快速开关时,均是根据经验来定这三个基本因素的值,再通过制作样机进行试验来验证电磁斥力值是否满足需要,存在验证时间长、费用高等缺陷。因此,提出通过正交试验来分析三个因素对电磁斥力的影响,并进行多因素多水平的优化分析和仿真,从而获得各个因素的最佳参数组合。结果表明:通过对三个因素进行正交试验,可以分析得出线圈盘匝数、扁铜线截面积、电容电压的最佳参数组合,从而得到最大的电磁斥力,减少不必要的配置,节约了样机成本并缩短了研发周期。

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。

快速开关限流型交流母线电压保持设备研究

传统“钢煤石化”企业电网的网架结构复杂,以电缆连接为主。当某一条联络线或者负荷发生短路故障后,由于故障清除时间较长(100ms以上),导致企业内部电网的交流母线电压长时间暂降,引发厂内变频设备、各种数字设备等跳闸,给生产运行带来重大隐患。文中提出一种快速开关限流型交流母线电压保持设备(HSBVP),实现对交流母线电压快速支撑,具备起效时间快,设备成本低等优势。文中首先详细分析HSBVP的工作过程和安装位置,形成设备应用场景。其次针对快速开关体积大,无法实现与常规空气柜开关柜尺寸兼容的问题,文中提出上下封闭磁路设计的紧凑型斥力机构,提高斥力机构效率,压缩机构体积;同时采用“一拖三”电磁斥力机构设计方案,有效提高三相机构的分合闸时间的一致性。另外文中搭建企业电网等效阻抗计算模型,并通过真实企业电网机电暂态模型验证,形成一套限流电抗器容量的计算方法。最后本设备通过第三方型式试验,快速开关在接到分位指令5ms内实现直流分量超过80%的31.5kA的故障电流的深度限流,快速维持上一级母线电压稳定,有效解决了企业内部电网的电压暂降问题,具备良好的推广前景。

一种提高高压直流断路器机械开关触发回路可靠性的方法

快速机械开关是高压直流断路器设备中的关键部件,在短路故障发生时,依靠其快速可靠的分断来转移故障电流,触发回路作为快速机械开关核心触发单元,其可靠性直接决定着整个断路器能否可靠运行。对此,从快速机械开关触发回路的可靠性着手,针对现有触发回路不足,研究提高触发回路可靠性的方法,以降低因触发回路异常导致快速机械开关失效的概率,进一步提升快速机械开关运行的可靠性,保障直流电网安全、可靠运行。

适用于高压直流电网的直流开关场

基于电流转移原理的混合式直流断路器在应用于多线路的高压直流电网时一次建设成本过高,经济性差,而共用＂主断开关＂的直流开关场则是解决上述问题的有效途径。不同的直流开关场拓扑具有不同的特点,对其进行归纳、分析和比较将有助于加深对直流开关场拓扑的认识并为工程应用中的选型提供指导。为此根据电流转移方式将现有直流开关场分为3类：选择转移型、单转移型和全转移型,并对3类直流开关场的拓扑结构和工作原理分别进行介绍,归纳了未来高压直流电网对直流开关场的基本要求,对各类直流开关场重合闸功能、对快速机械开关的失灵保护功能、动作复杂程度、经济性进行了对比分析,进而得出结论：现阶段全转移型直流开关场是高压直流电网最有应用前景的直流开关场。最后还给出了适用于高压直流电网的直流开关场的相关研究建议。

一种基于磁耦合转移原理的10kV直流断路器

直流电流没有自然过零点,因此开断直流短路电流比开断交流短路电流更为困难。本文介绍一种基于磁耦合电流转移原理的中压10kV直流断路器拓扑方案,该断路器可实现对15kA直流电流的快速开断。首先,对直流断路器原理和控制逻辑进行介绍;然后,根据拓扑方案提出快速机械开关、电力电子开关、磁耦合装置等核心部件的设计思路;最后,搭建仿真模型对该方案进行仿真分析,模拟不同工况下的开断情况,仿真结果验证了该方案的有效性。

基于机械快速开关的电压暂降分级治理方案

随着现代工业生产自动化的发展,用电设备及生产过程对电压暂降越发敏感,电压暂降严重影响了现代工业园区企业的正常生产并造成重大经济损失。现有的电压暂降治理措施大多基于电力电子技术,治理设备造价高、损耗大、可靠性差、容量受限,且一般仅在局部单点实施,故难以适应电压等级高、用户容量大、用电设备多的现代工业园区电压暂降治理的需求。针对以上问题,在分析现有的电压暂降治理措施的基础上,提出了一种基于机械快速开关的电压暂降分级治理方案。首先,根据现代工业园区涉及的电压等级和各电压等级主要用电设备对电压暂降的耐受能力,将供电系统分为:公用电网级、园区电网级、用户设备级;其次,针对每级供电结构和电压暂降特点,基于机械快速开关设计3套不同的电压暂降制治理装置;再次,在各级次内部署相应的治理装置,并制定相应的控制策略,从而实现对电压暂降的全面经济治理;最后,通过将本方案与传统方案进行技术经济对比,说明本方案技术指标优异、建设和运维成本较低,具有可靠性和实用性。

混合式高压直流断路器试验技术

混合式高压直流（HVDC）断路器是电力电子结合机械开关技术领域新型的高端电力装备,迄今为止其电气试验尚没有可以参照的国际或国家标准。为此,深入分析了混合式高压直流断路器的极限工况,梳理了快速机械开关、主支路阀组以及转移支路阀组等关键构成部件的电气应力,提出了能够全面考核整机电磁、热与机械等性能的运行试验和绝缘试验项目,并完成了试验系统的搭建。研究结果表明：所研制的世界首台535 k V电压等级混合式高压直流断路器样机及其关键部件在搭建的试验系统中完成了所提出的各项试验,最大开断电流为25k A,开断时间小于3 ms;针对性提出的试验方案和实现技术能够充分在实验室内考核混合式高压直流断路器的各项指标;试验结果证明了方案的正确性和可行性。该研究为未来混合式高压直流断路器相关试验检测标准的制定奠定了基础。

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。