微网混合式直流断路器电流转移理论及应用研究

发布时间：2020-09-15 10:04

　　随着分布式电源和电动汽车等技术的发展,直流配电微网成为未来发展的趋势与方向之一。目前直流微网的发电系统、储能系统、能量管理系统、并网系统、直流保护与控制系统等方面是国内外研究的热点。智能、快速、大容量的直流断路器是直流微网的关键保护设备,对于直流微网的安全运行与控制起到至关重要的作用,适用于直流微网的直流断路器的关键技术亟待研究。混合式直流断路器采用机械开关与电力电子开断单元并联,实现优势互补,克服各自缺点,既利用了机械开关通流能力强、损耗小的优点,又发挥了电力电子开断单元合分闸速度快的优势,是未来微网直流保护开关的发展趋势。本文旨在研究微网混合式直流断路器的电流转移理论与应用,为智能、快速、大容量微网直流断路器的工程应用提供理论基础和应用支撑,保障直流微网系统安全稳定运行。首先分析了国内外混合式直流断路器的研究现状,提出了微网混合式直流断路器的总体结构和硬件组成原理。基于Mayr模型和纵磁真空开关电弧电压伏安特性,得到了电流转移用快速真空开关的电弧模型。根据相应的技术参数,建立了 IGBTs和避雷器的仿真分析模型,得到了 RCD缓冲电路参数模型。搭建混合式直流断路器的仿真模型,理论分析了混合式直流断路器的合分闸过程,重点研究了开断过程中的电流转移特性,得到电流转移特性是影响断路器开断性能的重要因素这一结论。随后搭建了小电流和大电流模拟直流电流转移特性的试验平台,对电流从真空开关向IGBTs开断单元转移阶段和从IGBTs开断单元向RCD电路转移阶段的转移时间、电流大小等转移特性进行了深入、细致的试验研究。在大电流情况下,真空开关向IGBTs开断单元转移时间较长,成为限制整机开断时间的主要因素。为此,基于透明真空灭弧室搭建了大电流转移特性模拟试验研究平台,研究转移电阻、横向磁场、开断电流等因素对转移特性的影响。将转移过程分为固有转移过程和拖尾电流转移过程,研究了横向磁场对转移特性的影响,推导得到大电流转移判据与数学描述表达式,为大容量混合式直流断路器的快速开断提供了参考依据。在上述基础理论研究的基础上,提出了微网混合式直流断路器的整体结构设计方案,基于快速斥力机构与永磁保持装置构成了快速操动机构,研制了快速操动真空开关样机。对IGBTs并联均流、限压吸能电路等进行了参数设计和选型。设计了混合式直流断路器智能控制系统,包括母线电压与电流信号检测采集单元、断路器状态检测及故障判断单元、快速斥力开关和电力电子开关的动作控制单元、与外部系统进行信息传递的远程通信单元,实现了整机的智能化监测与操动,完成了 400V/3kA大容量微网混合式直流断路器的样机研制。最后搭建了大电流模拟直流开断试验电路,对样机的机械性能、开断性能等进行了整机测试,验证了整机设计的有效性和可靠性。本文通过对混合式直流断路器的电流转移理论与应用的研究,针对电流转移特性的理论分析与实验研究,得到了电流转移特性的数学判据,得到了其合分闸特性及其控制策略,为后期样机研制奠定了基础。最终研制的微网混合式直流断路器样机,分闸响应时间0.6ms,开断故障电流可在2.5ms内完成,闭合时间为微秒级。整机满足额定电压400V,额定电流2400A,开断电流3kA的直流断路器用于直流微网保护和多端直流微网的要求,且对系统冲击较小,为我国智能、快速、大容量混合式直流断路器的工程应用提供了理论基础和技术支撑。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM561
【部分图文】：

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根据电流转移机理不同，可将电流转移型直流断路器分为两类，分别是是无源换流逡逑型和有源换流型。通过电流转移产生自激振荡或强迫电流过零，为机械开关创造人工过逡逑零点，实现机械开关在电流过零点完成开断［３７，３８］。图１．５为有源型和自激振荡型直流断逡逑路器的电路原理图。逡逑逦逦逦ｌｏｏ＾ｇ逦逡逑ｈ逦ｒ－邋ＺｎＯ逦ｃ邋Ｉ逡逑——＞逦［－ｙ－｝逦邋ｓｉ＾逦卞逡逑流回路逡逑ａ．＿＿％——＾逦ｉ逡逑ｒ逡逑Ｈ邋Ｃ｜｜逦‘逡逑（ａ）自激型直流断路器逦（ｂ）有源型直流断路器逡逑图１．５传统机械式直流断路器原理图逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ＤＣ邋ｃｉｒｃｕｉｔ邋ｂｒｅａｋｅｒ逡逑－６－逡逑

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图１．邋１０邋ＺＶＳ－ＨＤＧＣＢ分断过程示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１０邋Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ＺＶＳ－ＨＤＣＣＢ逡逑如图１．１０所示，T刻发生短路故障时，ＺＶＳ型ＨＤＣＣＢ的控制系统向机械开关发逡逑送分闸动作信号，经过分闸响应时间＾机械开关内触头分离，电弧开始燃烧，触头间建逡逑立有效的电弧电压，电弧电压作用下换流支路被导通，电流逐渐向换流支路转移，（２时逡逑刻换流过程结束，机械开关内电流ｈ降低至零，电弧熄灭，随后机械开关内介质强度迅逡逑速恢复，经过短暂延时，待机械开关恢复一定耐压水平，在／３时刻控制电力电子器件关逡逑断，换流支路电流＾开始向限压吸能支路转移，此时直流断路器两端的恢复过电压》迅逡逑速上升，换流支路的电流＆在／４时刻降低至零，屯流完全转移至限压吸能支路，此后限逡逑压吸能支路逐渐耗散短路电流能量，将故障电流／’ｍｏｖ降低至零，ＨＤＣＣＢ完成故障电流逡逑分断。Ｗ此

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针对舰艇直流区域配电的快速保护需求，荷兰Ｄｅｌｆｔ大学的Ｐｏｌｍａｎ等人基于ＩＧＢＴｓ逡逑和快速斥力开关设计了额定参数６００Ｖ／６ｋＡ，完全开断时间〗．２ｍｓ的ＺＶＳ型ＨＤＣＣＢ［６３］，逡逑样机的结构和原理如图１．１邋１所示。文献［６０］对样机ＩＧＢＴｓ的均流特性、开断过程中恢复逡逑过电压的抑制措施、样机结构设计、样机工作性能等问题开展研究，并通过试验验证了逡逑其设计方案的有效性。瑞士工业电子实验室的Ｍｅｙｅｒ等人利用高速电磁斥力开关和逡逑ＩＧＣＴ，研制出应用于轨道交通领域的１．５ｋＶ／４ｋＡＨＤＣＣＢ＿，该ＨＤＣＣＢ样机的电路原逡逑理和结构如图］．１２所示。文献［６１］针对快速斥力机构的响应特性开展研究，通过缩短其逡逑响应时间来提升混合式直流断路器的工作性能，其研制的快速斥力开关的固有延时约为逡逑１８０畔（开断５ｋＡ短路电流），限流开断短路电流的最大时间仅３００叫。逡逑Ｄ＾ｉ邋．逦，邋Ｔ．邋￣￣￣ｆｅ－ｉ逡逑／丁１，邋／ＭＯＶ邋＂逦／丁２邋”逡逑Ｔｉ邋ｘＺ邋Ｈ邋Ｖｔ２逡逑ＮＳｓＨ＿ｏ逡逑，－Ｔ－＾——￣￣￣￣￣——逡逑Ｄ４逦ＭＣ逦Ｄ２

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