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。

直流开断与直流断路器

随着直流输电技术的快速发展,直流断路器的研制水平成为制约其发展的一个重要因素。对直流断路器研制的关键问题——直流开断进行了分析,综述了直流断路器采用的典型开断方法,并对实际系统中比较有代表性的3种直流断路器进行了介绍。

中高压直流开断技术

直流电网在高压柔性输电、新能源接入、轨道牵引以及未来城市配网方面有着广泛的应用前景。直流断路器作为重要的控制和保护设备,是直流电网供电安全的重要保证。与交流相比,直流开断的要求更高、其实现也更加困难。根据开断原理的区别,目前的直流断路器主要分为空气断路器、电流注入式断路器和混合式断路器三类。分别对三类直流断路器进行了综述,介绍了相应的开断原理与开断方法,着重分析了中高压直流分断方面的最新技术。空气式直流断路器通过建立足够高的电弧电压实现分断,结构简单、可靠性高,在低电压等级系统中已经得到了广泛的应用。电流注入式直流断路器利用储能元件产生的反向电流注入来实现直流分断,短路分断速度较快,可用于中高压直流系统。混合式直流断路器主要利用全控型电力电子器件来实现电流分断,开断速度极快,对于不同电压等级适用性较强,然而较高的成本限制了其广泛应用。

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。

超导限流直流开断技术研究

柔性直流系统、船舶直流系统和轨道交通直流牵引系统普遍存在短路故障电流幅值大、上升率高以及现有直流断路器难以快速可靠开断的问题。超导限流直流开断技术利用高温超导带材的快速限流特性,在短路故障发生后1ms内自动反应,将短路故障电流限制到较低幅值,极大地降低了直流断路器的开断难度和负担。该文首先介绍了直流超导限流器的限流特性,然后研究三种超导限流直流开断技术:超导限流自激振荡式、超导限流强迫过零式和超导限流混合式直流开断技术。仿真分析200kV/30kA超导限流自激振荡直流开断过程,完成了10kV/10kA超导限流强迫过零直流电流开断试验和55V/55A超导限流混合式直流电流开断试验。

混合型快速直流开断的短时短间隙电弧现象

随着轨道交通、船用电力系统等直流电力系统的迅猛发展,混合型快速直流开断成为了当前电气领域的热点问题。混合型快速直流开断过程中的燃弧有着较为鲜明的特点:短时短间隙。虽然这种短时短间隙电弧现象直接影响着混合型快速直流开断的成功与否,但是就查阅文献的情况来看,其研究还未成体系。该文就该问题进行总结。首先简要地对混合型直流快速开断的电气特性进行介绍,并通过高速摄像较为直观地呈现了短时短间隙电弧现象,在概要总结了开关空气电弧国内外研究进展的基础上,提出了适合于短时短间隙电弧建模及相关研究工作的技术途径建议,最后陈述了前期就短时短间隙电弧所进行的部分工作进展。

超导限流式直流开断技术1:超导限流研究

高压直流断路器的成功研制是直流多端输电系统和直流电网发展的关键。目前高压直流断路器的发展方兴未艾,但开断的短路电流值仍然有限,笔者提出了一种基于超导限流技术的高压直流断路器,可以极大提高短路电流的开断能力。该直流断路器由直流超导限流模块和开断模块组成,文中的研究内容为超导限流模块的快速限流特性、电流转移特性、大电流耐受特性。实验结果表明,超导限流模块具有快速的限流特性,在1 ms内即开始限流,能将几十千安培甚至上百千安培的短路电流限制在几千安培,施加磁场后的超导限流模块具有宽电流限制能力。所提出的直流断路器将超导限流技术和直流开断技术有效结合,具有反应迅速,开断电流大,可用于高电压场合的优势,是一种有发展前途的高压直流断路器。

真空断路器用于直流开断研究综述

真空开关因为其耐压强度高、介质恢复速度快,在很多直流开断的场合,常采用真空开关作为基本开断单元,利用强迫过零的原理实现直流电路的开断。文中对真空开关用于直流开断方面的研究进行综述,包括强迫过零真空直流开断的原理分析,真空断路器直流开断能力研究,尤其是关键开断参数,如恢复电压的du/dt,电流变化率di/dt(包括电流下降阶段平均值以及电流开断时刻的瞬时值)以及开断电流幅值的极限及其相互关系;同时,对至今为止世界各国开发研制的典型直流开断装置的情况也进行了介绍;最后,对于未来真空直流开断在高压直流电网中的应用研究给出建议。

自激振荡直流开断过程数学模型的研究

自激振荡是高压直流开断的重要方式。本文对高压直流断路器的自激振荡开断过程进行数学分析,推导出产生自激振荡的临界时间常数,并用电弧的伏安特性与数学模型进行比较,得到了直流断路器的模型参数,讨论了自激振荡回路各元件对开断过程的影响,为大电流断路器的设计提供了依据。

超导限流式直流开断技术2:开断模块仿真分析

文中提出了一种新型的基于超导限流技术的自激型直流断路器,该断路器由超导限流模块和直流开断模块组成。笔者的研究目标是分析直流开断模块的自激开断过程以及相关参数对开断过程的影响,验证原理可行性。文中研究了该超导限流式直流断路器在不同额定电压下(10、100、320 k V)开断的可行性。通过研究10 k V的额定电压下交换回路参数和电弧参数对开断特性的影响,100 k V额定电压下仿真开断模型工作过程,320 k V下限流模块和开断模块配合原理,得出该直流断路器原理可行。开断的时间随着电容值和电弧功率损耗因数的增大而减少,随着电感值和电弧时间常数的减小而降低;限流模块和开断模块可以很好的配合;此断路器能在不同电压等级下实现短路电流的开断。

H_2和空气下的直流开断电弧的燃弧特性分析

为解决航空电器要求体积小、重量轻、开断容量大的问题,选用H2和空气开关电器样机进行试验研究,建立直流开断试验电路,分析不同气体下直流电弧的电弧电压、电流波形、燃弧时间特性,电弧能量特性及电弧相转变过程。试验结果表明,H2比空气开关电器燃弧时间短、灭弧能力强,具有应用于航空供电系统的优势。

低压交流断路器用于直流开断的性能研究

低压直流供电将逐步进入民用领域,可能存在非专业用户将交流断路器用于直流线路开断的情况。通过试验研究,对比了交流断路器和直流断路器分别用于开断直流回路中恒阻、恒流、恒功率3种负载的性能,探究交流断路器用于低压直流开断时可能出现的现象和相关问题,并指出替代使用时的注意事项。

10 kV/10 kA超导限流式真空直流开断技术及其试验研究

电阻型超导限流器可以自动、快速限制短路电流,人工过零型真空直流断路器具有设备成本低、动作速度快的优点,将两者结合可满足柔性直流输配电的要求。该文的研究目标是提出一种超导限流式真空直流开断方案,并验证该方案的可行性。首先分析了所提出的直流开断原理,然后设计了10 kV/10 kA样机,最后利用10 kV LC电流源进行了直流开断试验,预期电流峰值为10 kA。试验结果表明:超导限流模块可将10 kA短路电流限制至1.4 kA,与之串联的人工过零型直流开断模块在12 ms内开断限流后的短路电流。超导限流模块不仅可以有效制约短路故障的发展,还能吸收系统内电感储存的能量,抑制开断过电压,在有利于切除直流短路故障的同时提高开断可靠性;限流后的短路电流幅值较小,需要开断的电流值也较小,有利于降低直流开关模块的参数和尺寸,使设备结构更加紧凑。

触头喷溅对直流开断的影响研究

为了研究触头喷溅烧蚀对直流开断的影响,通过添加平衡方程建立了电弧-触头相互耦合模型,运用动网格技术模拟了喷溅后触头表面的形貌变化,并进行了拉弧仿真。结果表明,触头表面温度的升高促进了阴极表面的热电发射,使电流密度增大。发生喷溅后,触头间的电场强度发生畸变,不利于电弧的开断,但一定浓度金属蒸气的存在有利于电弧的熄灭。

基于熔断器的组合式直流开断技术研究与验证

直流断路器是交直流混合配电网组网的关键,然而在考虑技术经济性时,当前直流配电断路器仍沿用高压直流输电等级断路器拓扑方案的思路不再适用,亟需开发经济型直流开断技术,实现中压直流配电断路器成本和性能的平衡。文中针对交直流混合配电网直流侧故障电流经济高效开断这一关键问题,基于直流熔断器和强迫过零开断技术,提出一种基于熔断器的组合式直流开断方案,该方案采用直流熔断器与转移开关并联后再与直流负荷开关串联的形式,利用低成本的直流限流熔断器开断大电流,减轻直流负荷开关的开断要求,进而降低整机成本,在兼顾经济性的同时实现了电流的全范围开断。通过PSCAD仿真计算,和在LC振荡回路中进行的15 kA开断实验结果表明,提出的组合式直流开断方案可以满足交直流混合配网直流侧故障快速切除的需求。

基于多能转换的多端直流开断系统开断特性试验研究

基于多能转换的多端直流开断技术应用于城市轨道交通直流供电系统中,起着分断电路、保护系统的作用。介绍了多端直流开断系统的工作原理,阐述了开断特性试验原理,基于试验研究从能量转化等方面分析了多端直流开断特性参数和触头弹跳过程。

基于CAN总线的舰船直流开断装置通信方案设计

在舰船直流电力系统中,直流开断装置是非常重要的电力设备,为实现智能化操作,需在开断装置及其监控主机间构建快速、可靠的通信网络。CAN总线协议具有速率高、抗干扰性能好的特点,且具有较强的错误检测功能。基于CAN总线设计了由节点模块和网桥模块组成的通信架构,并利用Matlab GUI开发了监控主机软件,对所设计的软硬件方案进行了系统测试,能够满足舰船直流开断装置的实际通信需求。

基于人工过零的高速真空直流开断的实验研究

目前,直流系统的应用领域越来越广泛,对保护和控制的要求越来越高,如何快速监测和开断直流系统故障电流在直流系统的发展中显得极其重要。本论文设计了基于人工过零的高速真空直流开断主电路,对开断过程中的电压、电流特性进行了研究,对于掌握开断过程中电流转移过程、过电压抑制方案提供了依据。

“直流开断技术”专题征稿启事

直流供电系统在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有明显优势，是一种灵活、可靠、经济的供电方式。电压源型高压多端直流输电是进行高压大容量远距离输电的有效形式，不仅可以连接多个交流电网，实现多个交流电网的相互支援，也是可再生能源发电中心与电网间的最佳连接方式，因此将成为未来直流输电的基本形态。同时，直流供电系统在轨道交通、冶金、舰船等中低压领域的应用也日益增多，尤其是随着新能源接入系统以及城市交直流配网系统的发展，直流系统进入快速发展时期。直流断路器是直流系统的核心保护装置，为了保障直流系统的可靠性、安全性和连续性，直流开断技术成为直流供电系统的研究热点。

直流快速开断技术研究进展和展望

由于直流电流无自然过零点且短路电流上升率高,直流电流快速开断与系统故障切除成为制约直流电力系统发展的一大瓶颈。该综述首先介绍了直流快速开断技术要求与难点。其次,详细分析了直流快速开断过程涉及的关键技术,包括电流转移技术、固态式直流开断技术、介质恢复技术和高速机械开关技术等,综述了各种技术的当前发展现状及其应用情况,对比了不同技术方案的特点及适应性。最后,对直流快速开断技术未来发展方向进行了讨论和总结,为小型化、高性能、低成本、高可靠快速直流断路器的研发及推广应用提供了新的技术思路。