一种实用化的混合式高压限流开断器

混合式高压限流开断器是一种经济实用的故障电流限制器 ,在国外已有多年的成熟应用经验。本文着重介绍其结构特点及在电力系统或相关行业的应用情况 ,有助于国内有关工程技术人员全面认识此类产品 ,并为今后限流器的开发工作提供技术和市场方面的参考。

基于电容限流的混合式高压断路器拓扑研究

随着电能传输容量越来越大、传输距离越来越远,高压、超高压直流输电网的“弱阻尼,低惯量”愈发严重。高压直流断路器已成为高压、超高压直流电网的关键器件之一。本研究提出的一种利用电解电容进行限流的混合式高压直流断路器,具备良好的故障电流开断能力,并能够抑制故障电流的快速上升,减少全控开关IGBT数量。首先,介绍基于电解电容进行限流的断路器的电路结构;然后,阐述其阻断故障电流的原理;最后,在仿真平台PSCAD上搭建了仿真模型。仿真结果表明:该断路器能够快速阻断故障电流,抑制电弧。

基于混合式高压直流断路器的故障电流限制与开断机制

高压直流输电技术凭借其远距离传输、低损耗等优点,在电力系统快速发展中占据重要地位,逐渐成为电网建设的重要方向。然而,高压直流系统中故障电流限制和开断处理一直面临着技术方面的挑战。混合式高压直流断路器以其快速响应与高效能量吸收能力,在保证系统安全稳定运行方面展现出独特的优势。文章深入研究混合式高压直流断路器的基本组成、工作原理及其在故障电流限制和开断中的应用,具有重要的理论和实践意义。

自触型低压混合式直流断路器系统设计与开断特性研究

低压混合式直流断路器具有低功耗、高开断性能、选择性保护等优点,能更好地满足光伏和储能系统以及零碳建筑等应用需求。该文提出一种自触型低压混合式直流开关拓扑,首先通过对混合式断路器工作原理分析,建立基于电弧供能、驱动的机电系统耦合设计方法,该方法利用电弧能量为电子电路供能,并将电弧电压作为换流支路导通的控制信号,从而实现短路故障下系统的自动触发,并提出核心功能模块设计的理论依据。在此基础上,研制低压混合式断路器样机并验证设计方案的有效性,并对比分析不同因素对开断特性的影响规律。试验表明,相较于传统机械开关,小电流开断时间缩短85.4%、电弧能量减少94.1%,提升了断路器电气寿命,同时实现1.1 kA短路电流开断,发现系统总体响应时间与燃弧初期电压上升速率成正相关,电弧电导、支路寄生电感增大均会延长换流时间,电弧重燃概率则主要受外部系统参数影响。结果可为低压直流混合式断路器的优化设计和性能提升提供一定参考。

阻容型混合式直流断路器优化设计及全工况开断性能分析

为解决柔性直流电网中故障电流快速开断难题,在比对分析典型混合式直流断路器方案控制保护策略与经济性的基础上,该文提出一种基于晶闸管的阻容型混合式直流断路器拓扑结构与参数化设计方法。利用阻性电路抑制电流电压上升,同时具备钳位开断、弱电流开断、电容自充电和自适应重合闸功能,实现整机无全控型器件。首先提出该拓扑不同模式下的控制保护策略和参数化建模方法。其次,给出器件参数设计准则,并采用多目标水母优化算法对参数组合方案进行可靠性寻优。此外,基于PSCAD/EMTDC,建立四端直流输电网模型,比对分析了所提混合式直流断路器参数化设计方案在不同工况下的开断性能、经济性和适用性。

基于改进型限流混合式直流断路器的开断时序优化研究

直流故障限流与开断是保证直流输电安全稳定运行的关键技术。该文提出基于限流混合式直流断路器的开断时间配合及泄能优化方案,即以减少泄能支路吸收能量和降低直流断路器的电力电子开关器件投资成本为其优化目标,转移支路IGBT的耐压应力及直流开断时间为约束条件,将其转化为求解多目标优化数学问题,得出断路器最佳配合动作时序。大量仿真测试表明该优化方案正确有效。

混合式高压直流断路器开断过程整机应力特性研究

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。

混合式高压直流断路器快速限流优化方案及仿真分析

混合式高压直流断路器分断速度快且通态损耗低,能够保证不闭锁换流站的情况下实现线路故障的快速隔离,减小故障范围,是直流电网保护的关键设备之一。首先研究了含混合式直流断路器的柔直系统直流故障限流机理,分析影响直流故障电流峰值以及故障电流持续时间的关键因素,并在现有混合式高压直流断路器基础上,提出一种快速限流的优化技术方案,在转移支路加入故障限流子模块(fault current limiter submodule,FCL_SM),FCL_SM由二极管桥、限流电阻以及限压电路组成,通过在故障过程中投入FCL_SM来降低故障电流峰值以及MOV吸收能量。最后通过PSCAD/EMTDC仿真分析,验证了所提优化方案的可行性与有效性。仿真结果表明,优化方案可有效降低直流故障电流峰值(降低幅度达14%)、故障电流持续时间以及直流断路器MOV吸收能量(降低幅度达16.2%),并可有效降低设备设计成本。

基于电容自然充电换相的混合式直流断路器设计与仿真

以晶闸管作为主断器件是降低混合式直流断路器造价和技术难度的手段之一,电容电压是此类直流断路器能够顺利开断直流故障的关键影响因素。现有结构中电容大多为预充电型,但预充电方式和电容电压的维持较为复杂。因此,该文提出一种基于电容自然充电换相的混合式直流断路器,利用母线电压与预充电电容的电压差值实现电容的预充电和电容电压的自动维持,从而保证断路器的开断能力。此外该断路器还具备二次开断能力,可以满足极短时间内重复开断的需求。针对所提断路器的工作过程和元器件参数进行了详细的理论推导,基于PSCAD/EMTDC建立单端等效和四端柔性直流电网模型验证了所提结构的适用性。最后与其他方案进行比较,结果表明,所提方案在开断速度、电容预充电方式和二次开断方面具备一定优势。

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研究现状综述

随着柔性直流输电技术在近三十年的巨大进步,高压直流断路器研究成为国际研究热点。文中针对高压直流输电技术的发展趋势,论述了高压直流电网对高压直流断路器的强劲需求;介绍了目前应用较为普遍的混合式直流断路器发展历程、拓扑结构及开断原理;在此基础上,从元器件数量、设备可靠性方面对比分析了目前基于IGBT级联型双向开断的混合式直流断路器、基于H型全桥拓扑结构的混合式直流断路器、二极管带IGBT全桥拓扑结构的混合式直流断路器3种典型技术方案的优劣;总结了现今高压直流断路器研究的技术难题和未来发展方向。

混合型限流熔断器爆炸活塞式高速开断装置炸药腔室结构分析及优化

爆炸活塞式高速开断装置的炸药腔室结构直接影响混合型限流熔断器的动力、电气性能,不合理的结构会使动子获得的动能降低,导致分断能力下降甚至分断失败。针对此问题,以LS-DYNA为仿真平台建立了非线性动力学模型,对炸药腔室的结构进行了研究,得到了冲击波在炸药腔室内的传播规律,并分别分析了炸药与活塞距离、活塞半径、药腔半径对开断性能的影响,结果表明炸药腔室结构参数存在最优值。最后设计了额定900 V/1 000 A的装置样机进行了分断特性和短路开断试验,试验中开断器动子位移与仿真一致,样机成功分断了预期峰值40 k A、电流上升率12 A/μs的短路电流,机械刚分时间为84μs,短路电流峰值被限制在22.7 k A,表明仿真模型与相关研究结论可用于指导爆炸活塞式高速开断器的结构优化设计。

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。

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。

新型混合式限流熔断器设计分析

基于电弧触发的混合式限流熔断器方案,采用电弧触发器取代了现有混合式限流熔断器中的电子检测控制装置,分析该方案限流过程中的关键技术,设计研制样品。模拟短路限流试验验证分析设计的正确性,结果表明,基于电弧触发的混合式限流熔断器可靠性高、结构紧凑、限流能力强,具有广泛的应用前景。

高压限流熔断器低过载电流开断性能的试验研究

本文介绍了高压限流熔断器低过载电流分断试验的试验方法和测试手段,通过试验,研究了不同熔体对低过载电流分断性能的影响,并对试验结果进行了理论解释,得出下列结论:减小熔体截面尺寸,增加熔体并联数有利于改善熔断器低过载电流的分断性能。

振动信号特征提取下的高压断路器可控开断运行故障检测方法

高压断路器是电力系统中重要的高压开关设备,其主要通过对电路的开断和闭合来实现对电力系统的控制与保护。但在高压断路器开断运行过程中会产生机械冲击,当冲击过大时引发的机械振动容易导致机械故障,从而影响高压断路器自身的机械状态,严重时会破坏电力系统的稳定和安全,为此,研究振动信号特征提取下的高压断路器可控开断运行故障检测方法。采用小波变换技术细化分析高压断路器振动信号,在递归分解的方式下提取可控开断运行过程中的振动信号特征。通过提取的信号特征建立数据集合,以属性定义构建区分矩阵,利用属性约束关系划分振动信号特征相空间。根据振动信号不同特征所处的相空间,在各自相空间内对高压断路器开断运行的故障信号进行重构。在信号重构后获取对应相位关系,检测高压断路器可控开断运行故障,实现检测方法设计。实验结果表明:选择不同的开断运行故障类型作为测试对象,在混合所有类型故障后新方法能够实现较高的检测正确率,具有应用价值。

40.5 kV/31.5 kA限流熔断器开断试验方式1试验研究与分析

针对一档40.5 kV/31.5 kA限流熔断器开断试验(方式1)单相试验过程中出现熔断器本体炸裂,产品处出现相对地拉弧的现象,根据试验参数并结合所选取的试验回路进行分析,提出这种试验回路对于单相试验带来的影响。对于相对地拉弧现象进行仿真分析,并给出了试验回路的优化措施。

高压断路器中C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的开断性能

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体是一种潜在的SF_(6)替代气体,开展其在高压断路器中开断性能的研究,对推动环保输电方式发展、支撑双碳目标实现具有重要的工程意义。基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)理论,仿真计算了充有0.6 MPa 5%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、10%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、15%C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体和纯SF_(6)的40.5 kV断路器20 kA短路电流开断过程,分析C_(4)F_(7)N混合比例对电弧温度特性、灭弧室气压与喷口气流特性的影响规律,并与纯SF_(6)进行比较。研究结果表明:与混合气体相比,SF_(6)气体电弧具有更高的弧芯温度和更小的电弧半径,随着C_(4)F_(7)N比例的增加,混合气体弧芯温度升高、电弧半径减小。断路器短路开断过程中,SF_(6)气体建立起更高的吹弧气压,气吹速度明显高于混合气体,可以形成更好的气吹效果来冷却电弧。最后,基于Mary电弧数学模型计算得到电流零区不同气体的电弧时间常数与电弧功率耗散系数,并以临界恢复电压上升率(rate of rise of TRV,RRRV)定量评判气体开断性能,0.6 MPa的5%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、10%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、15%C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体临界RRRV分别为1.54、2.22和2.28 kV/μs,远低于SF_(6)的4.98 kV/μs。

混合式直流断路器合成开断试验方法及等效研究

国际上已开发出多种混合式高压直流断路器,并完成工程应用,其在多端和直流电网应用前景广阔。短路电流开断能力是直流断路器的核心性能,而直流开断过程同时存在大电流、高电压和强能量,造成在试验室中等效复现开断应力极为困难。国际上至今尚未形成统一的等效开断试验标准,试验容量与等效性关系也缺少理论研究和定量分析。该文基于混合式直流断路器开断原理,提取开断过程分阶段等效应力,揭示试验容量与等效性数学关系,奠定试验电路参数设计及等效分析的理论基础。进一步提出双频电流源合成开断试验方法,完成关键等效应力数学解析与试验电路参数最优设计,开展试验应力仿真验证及等效性对比分析。研究表明,双频电流源合成等效试验方法可实现混合式直流断路器开断电应力全等效,技术经济性良好,对开断试验装置开发及标准制定具有指导意义。