直流断路器的基本原理和实现方法研究

(整期优先)网络出版时间:2022-09-27
/ 2

直流断路器的基本原理和实现方法研究

朱庆

国网山西省电力公司超高压变电分公司   山西太原  030000

摘要:本文试图从直流电网的基本特性出发,研究直流断路器的直流故障电流开断原理,从而提出实现直流断路器的技术路线。

关键词:直流断路器;断流原理;串入无穷大电阻;串入电容

引言

直流断路器是直流电网的核心元件,为此,深入研究了直流断路器的基本原理和实现方法。首先从理论上论述了直流电流开断的2条基本途径;其次介绍了基于故障通路串入无穷大电阻断流法的直流断路器实现方案;接着针对基于故障通路串入电容改变直流故障电流性质法提出了原理上可行的技术方案[1]

1开断直流故障电流的2条基本途径

直流电网有2种基本接线方式:其一是伪双极接线,如附录A中的图A1(a)所示;其二是与传统直流输电系统类似的双极接线,如附录A中的图A1(b)所示。不失一般性,本文采用的电路模型来分析直流断路器开断直流故障电流的原理。图1中:换流器是基于半桥子模块构成的MMC。若直流线路某点发生接地短路,MMC可以有2种工作模式:其一是不闭锁模式,此时从直流侧看,MMC可以等效为一个直流电压源;其二是闭锁模式,此时MMC的行为表现为一个二极管整流器,从直流侧看,MMC可以等效为以直流电压为主但具有谐波的电压源。不管MMC是处于闭锁模式还是处于不闭锁模式,从MMC流到故障点的电流都是单极性的,要使此单极性的电流下降到零,只有2条途径:第1条途径是在直流故障电流通路中串入1个无穷大电阻,此时不管MMC等效电压源数值的大小,直流故障电流都会下降到零;第2条途径是在直流故障电流通路中串入1个电容,使得故障通路转变为1个L−C振荡电路,从而使单极性的直流故障电流转变为交流电流,并在此交流电流第1次过零点时截断直流故障电流。下面将对上述直流断路器开断直流故障电流的2条基本途径作进一步的分析[2]

2快速直流断路器研究现状
2.1空气式直流断路器
  空气式直流断路器是以交流断路器灭弧技术为基础变革而来,主要包括脱扣系统、触头系统、操作机构和灭弧罩四大部分。脱扣系统的功能是故障发生时完成检测与脱扣,保证断路器可靠分闸;触头系统的功能是长时间承载额定电流、短时承受过载和故障电流,在分断过程中促进电弧弧根的转移、跳变;操作机构的功能是实现断路器的分合闸动作,保证触头系统的分合闸速度要求,利于电弧运动与转移,提供合闸保持力,保证触头系统的动热稳定性;灭弧罩的功能是拉伸、切割、冷却电弧,建立电弧电压,限制短路电流上升,实现分断任务。短路发生后(t0),空气式直流断路器首先经历脱扣器脱扣耗时、机构机械延时,而后触头分离(t1),通过磁吹或气吹等手段将触头间的电弧引入灭弧罩内,进行切割、强烈的冷却、去游离,建立起与电源电压相反的电弧电压;当电弧电压大于电源电压时,短路电流开始下降(t2),电弧持续燃烧一段时间(t1—t3),直至电流下降到零,断路器两端电压等于系统电压,分断过程结束(t3)。快速空气式直流断路器关键技术有:快速检测脱扣技术、高速分闸技术、电弧快速转移与电弧电压建压技术等[3]

2.2直流固态断路器
  直流固态断路器故名思议由电力电子器件(如SCR、IGBT、IGCT、ETO等)作为主控开关,配以测控单元和缓冲吸能组件等共同组成[4]。测控单元利用传感器或器件结电压等自身特性检测、判断系统的运行状态;电流分断任务主要依靠电力电子器件的关断性能(半控型器件晶闸管还需强迫关断回路的配合);缓冲和吸能组件完成分断过程的过电压限制和能量消耗,保障器件的安全。故障发生后,测控单元迅速向器件发出关断信号,实现关断。电力电子器件微秒量级的分断速度,决定了直流固态断路器具有优异的故障电流限制能力。快速直流固态断路器的关键技术主要有:器件尽限应用、均压、均流、同步驱动和保护等。文献中进行了过载保护试验,短路电流上升到约750A时,集射结压降超过了动作参考电压,测控电路延时约4μs发出关断信号,关断过程耗时仅5μs。ABB公司基于反向阻断型IGCT研制了双向直流固态断路器,采用的RB-IGCT直径91mm,额定电压2.5kV,1kA电流通态压降仅0.9V,分断能力达6.8kA。RB-IGCT导通压降低,1kA通流条件下功耗仅1360W,通过良好的空气冷却措施就可以满足通流温升要求,有利于降低断路器体积和成本。文献还对避雷器、散热器等部件的设计进行了仿真分析和试验研究。美国DTI公司Kempkes等针对船舶电力系统和变换器保护应用开展了基于IGBT的中压直流固态断路器分析和设计,给出了10kV/8MW样机总体方案。文献考虑了器件冗余、拓扑结构、可靠性、耐压、冷却等诸多方面的问题,进行了1万次分断电流1kA等级的可靠性试验,检验了IGBT的电气性能。国内海军工程大学庄劲武等对舰船电力系统进行研究,采用IGBT研制了直流固态断路器样机,重点围绕拓扑结构设计、分断过程分析、试验验证开展了相关工作。中科院等离子所温家良等利用大功率晶闸管设计了双向直流晶闸管开关,用于托卡马克核聚变试验装置。双向开关利用反向电流强迫晶闸管关断,设计参数为通态电流15kA,断态电压2400V,关断时间约2ms。为满足大电流通断的需要,单方向9只器件并联使用。南京航空航天大学穆建国等也提出了基于晶闸管的直流固态断路器拓扑结构,并进行了分断过程的分析。固态断路器的优点是无机械触头系统和运动机构,投切迅速、精确可控、限流能力强,不存在电弧烧蚀,理论上可无限次重复使用,寿命长。然而,与机械开关相比,固态开关却存在通态损耗大、过载能力差、分断能力有限、价格高等缺点,制约了其工程化应用。目前,单只全控器件电压等级不超过10kV,分断能力不超过10kA,高电压、大容量等级应用时,只能采用多只串并联,断路器通态损耗和可靠性问题凸显。固态断路器更适用于中低压、小电流直流系统限流保护场合。

3结论

1)开断直流故障电流的基本途径主要有2条:其一是在直流故障电流通路中串入无穷大电阻实现断流,其二是在直流故障电流通路中串入电容改变直流故障电流性质实现断流。

2)目前已运用在实际工程中的直流断路器都是基于故障通路串入无穷大电阻断流法。

3)故障通路串入电容改变直流故障电流性质法的原理是理论上和实践上都已得到验证的断流原理,目前具有故障自清除能力的MMC都是基于此原理实现的。

4)基于串入电容途径,提出了原理上可行的技术方案,分别是由增强型半桥子模块串联构成的单支路结构串入电容型直流断路器、以精简型半桥子模块为主的包含正常通流支路的双支路结构串入电容型直流断路器、以精简型半桥子模块为主的包含正常通流支路的3支路结构集中串入电容型直流断路器。

参考文献

[1]徐政,肖晃庆,张哲任,等.柔性直流输电系统[M].2版.北京:机械工业出版社,2017:188-279.

[2]张娜.直流电“复仇”[J].能源,2013(1):40-47.

[3]徐政,肖晃庆,张哲任.模块化多电平换流器主回路参数设计[J].高电压技术,2015,41(8):2514-2527.

[4]肖晃庆,徐政,薛英林,等.多端柔性直流输电系统的启动控制策略[J].高电压技术,2014,40(8):2550-2557.