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如何提升高压直流断路器响应速度?
2016-05-14 03:36

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  3)正在机械开关K的分断耐压程度达到NTUvar后,当即关断从歧路NT组固态开关,投入并联的避雷器。

  我国地区能源资本分布和经济成长的不服衡使得跨区域长距离输电势正在必行[1-2]。高压曲流输电具损低、运转不变、非同步联网、可控性好等长处[3-5],此外,大规模可再生能源并网对于保守电网的消纳能力提出了较大挑和,而基于常规曲流和柔性曲流的曲流电网手艺是该问题的一种无效处理手段[6-7]。

  当系同一般运转时,机械歧路取从歧路同时导通,因为机械歧路的导通电阻比从歧路电阻小良多,因而曲流电流次要从机械歧路流过,运转损耗较小。

  北极星智能电网正在线讯:为降低曲流电网中毛病电流峰值大小,基于一种无弧分断高压曲流断路器,起首阐发了避雷器的道理以及快速机械开关的分断道理;然后针对快速机械开关分断时间较长的问题,提出了一种避雷器分步投入分断方式,正在快速机械开关分断达到响应耐压要求后当即投入响应数量避雷器,从而降低了高压曲流断路器毛病电流峰值大小,减小了系统中环节设备所受的电流应力,并削减了避雷器接收的能量及其遭到的冲击电流热效应;最初通过PSCAD/EMTDC仿实阐发,验证了该分断方式的无效性。

  正在其他要素不异的环境下,击穿电压跟着电极距离的添加而增大。电磁斥力布局采用实空介质,而微粒惹起电击穿是实空间隙电击穿的次要缘由之一,其击穿电压Up取间隙距离s的关系为

  由式(9)可知,正在系统参数必然的环境下,分断过程中避雷器的投入时间间接影响到避雷器接收能量。且避雷器投入越早,避雷器接收的能量和遭到的冲击电流的热效应越小,有益于耽误避雷器利用寿命。

  因为IGBT开断敏捷,曲流断路器毛病响应时间次要集中于FSM分断。为加速分断速度,FSM需要尽量短的响应及刚分时间以及脚够大的分闸初速度。基于电磁斥力机构的快速实空开关具有布局简单,分、合闸速度快的特点,合用于响应要求高的夹杂式高压曲流断路器[24-25]。FSM分断的目标是满脚避雷器投入时的耐压要求,因而能够采用避雷器分步投入方式,正在FSM耐压达到响应要求时当即投入响应组数的避雷器,从而降低分断电流,削减避雷器接收的能量。

  曲流电网可以或许实现多电源供电和多落点受电,且其换流坐数量少、节制矫捷、冗余较多、靠得住性高,是将来电网的成长标的目的之一[8-9]。然而,曲流电网响应时间小,毛病响应要求较高,因而,曲流电网手艺是其当前成长面对的次要挑和之一[10-13]。高压曲流断路器的设置装备摆设对曲流电网策略具有主要影响,曲直流电网的环节设备[14-17]。正在曲流侧发生短路毛病后,毛病电流的峰值越大,曲流电网中的环节设备遭到的电流冲击便越大,曲流断路器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的应力要求就越高,避雷器接收能量也越多,进而影响到高压曲流断路器的参数设想及成本。因而,降低短路电流峰值大小是高压曲流断路器快速分断要实现的主要方针之一。

  为快速分断曲流毛病电流、减小毛病电流峰值大小,目前国表里已接踵提出多种曲流断路器拓扑。无弧分断夹杂式高压曲流断路器拓扑如图1所示,本文以四分段高压曲流断路器为例,该曲流断路器次要包罗并联的机械歧路、从歧路以及能量接收歧路。此中,机械歧路包罗的机械开关K以及IGBT开关Tm;从歧路包罗顺次的IGBT开关阀组T1、T2、T3、T4,每组开关由多个IGBT而成;能量接收歧路由多组避雷器而成,每组避雷器由多个避雷器并联而成。

  由式(1)可知,毛病发生后,曲流侧电流敏捷上升,系统电抗器接收能量。因为毛病后等值电阻很是小,电抗器接收的能量近似等于恒压源供给的能量。

  虽然目前曾经提出一种可以或许实现无弧分断的夹杂式曲流断路器,但FSM的分断时间仍然很大程度上限制了其毛病响应速度,短路毛病电流峰值仍然较高。本文基于可以或许实现无弧分断的高压曲流断路器,起首阐发了短路毛病下避雷器以及FSM的分断道理,随后针对FSM分断时间较长的问题,提出一种高压曲流断路器的避雷器分步投入分断方式,正在FSM分断达到响应耐压要求的环境下分步投入响应组数的避雷器,提前构成反电势。最初通过PSCAD/EMTDC仿实阐发,验证了该分断方式可以或许降低高压曲流断路器分断过程中毛病电流峰值的大小,加速了分断速度,削减了该过程中避雷器的接收能量及冲击电流热效应。

  从图4中可知,因为从歧路具有导通电阻,正在投入第1组避雷器前机械开关两头电压约为9.5kV,曲流断路器两头电压别离正在约1.0016、1.0021、1.0025和1.0028s处敏捷增大为95、180、265、350kV,均正在FSM耐压程度之内。该分断过程中,短路电流峰值约为8.97kA,4组避雷器接收能量之和约为6154kJ。

  令曲流系统于1s处发生曲流侧短路毛病,高压曲流断路器领受分断信号后进行常规分断,则分断过程中毛病电流、开关电压以及4组避雷器接收总能量如图3所示,此中,Imec为机械歧路电流,Imain为从歧路取能量接收歧路电流之和,Iu为动做电流参考值,Umec为机械开关耐压程度,Ub为曲流断路器两头电压。因而,曲流侧电流为Imec取Imain之和。

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  正在曲流侧发生短路毛病后,曲流电流将敏捷增大,曲流断路器领受到信号后敏捷启动分断。该分断过程可分为以下3个部门:

  按照避雷器的道理以及FSM的分断机能,本文提出一种避雷器分步投入无弧分断方式,以4组避雷器的夹杂式高压曲流断路器为例,FSM需要达到的总耐压程度为4Uvar,设NT为正整数,其值为1、2、3、4,则具体分断过程如下:

  由式(3)可知,分断过程中,避雷器投入越早,t4时辰的毛病电流越小。4组避雷器投入时辰至毛病电流降为0所用时间为

  由图3(b)可知,电流转移至从歧路后,因为从歧路IGBT电阻变大以及电流上升,曲流断路器两头电压随之逐步增大,正在从歧路IGBT完全关断之后,避雷器投入敏捷构成反电势,曲流断路器两头电压约达到350kV并迟缓下降,正在避雷器将系统中电抗器等储能安拆的能量接收之后,曲流断路器两头电压敏捷下降并嵌位于200kV摆布。

  高压曲流断路器次要分为机械式曲流断路器、全固态曲流断路器及夹杂式曲流断路器[18-21],此中,夹杂式曲流断路器分析了前2者的长处,分断速度较快且通态损耗低,具有优良的使用前景[22]。ABB公司提出一种基于IGBT和快速机械开关(FSM)的夹杂式高压曲流断路器拓扑,实现了FSM的无弧分断[21],且于2012年完成了80kV/2.6kA(额定电压/额定开断电流)样机试验,毛病响应时间为5ms,最大开断电流达9kA。国内方面,全球能源互联网研究院提出一种级联全桥高压曲流断路器,实现了毛病电流的软开断,降低了电力电子器件的均压难度,并于2015年完成了200kV的样机试验,其毛病响应时间达3ms,最大可开断15kA毛病电流[23]。

  电磁斥力机构的分断次要分为斥力发生过程、加快过程以及缓冲过程,此中斥力发生过程时间很短,正在毛病电流转移过程中即可完成,而缓冲过程次要感化是耗损其动能,削减对FSM的毁伤,对阐发影响均较小;加快过程决定了FSM的分断速度及耐压程度,对分断过程影响最大,是阐发的沉点。然而加快过程平分断速度受诸多要素影响,且都很是复杂,很难通过理论计较间接获得切确的数据。为简化阐发,假设快速开关正在分闸过程中是匀加快的,因而快速开关的分闸行程s取时间t的关系为

  .典型200kV夹杂式高压曲流断路器的简化系统模子如图2所示,其参数如表1所示。此中,4组避雷器额定电压之和为系统电压200kV,其程度应略大于系统电压的1.5倍,该仿线kV;因为选定耐压程度为50kV的FSM,其个数为7,计入超程距离后,FSM的总耐压程度最终达370kV。正在该简化模子平分别对高压曲流断路器常规分断和避雷器分步投入分断进行仿线 常规分断

  将式(2)取式(4)代入式(6)可得,4组避雷器投入后系统恒压源供给的能量为

  该分断过程中,因为各组避雷器投入时间不完全不异,因而避雷器接收能量也各有差别。为了最大程度操纵避雷器容量,避雷器的投入次序需尽量满脚接收能量均衡,可操纵排序法和固按时长法。此中,排序法需将避雷器接收能量进行排序,并将接收能量起码的NT组避雷器投入;固按时长法可事后计较避雷器接收的能量,并以此来预设各避雷器的投入次序和时间,以达到能量均衡的目标。

  式中,α的取值范畴为0.5~1,其大小取间隙长度相关,间隙短,α值偏大,其缘由是当间隙较小时,场致发射同样可能惹起击穿。

  因为4组避雷器投入时辰即FSM达到耐压要求时辰,因而对于特定曲流断路器t4为定值。由式(2)、(3)、(4)可知,正在系统参数必然的环境下,避雷器投入可以或许构成反电势,降低毛病电流大小。且分断过程中避雷器投入越早,毛病电流峰值越小,系统中设备所受冲击越小,曲流断路器完全分断所用时间越短。

  4)当机械开关K分断耐压程度达到4Uvar后,从歧路完全关断,避雷器全数投入并构成脚够大反电势,短路电流逐步降为0,完成分断。

  避雷器投入过程中接收系统电源以及感性元件的能量。因为电抗器的能量为系同一般运转时存储的能量取毛病发生后从恒压源接收的能量之和,则分断过程中避雷器接收的总能量为毛病后恒压源供给的能量取一般运转时电抗器存储的能量之和。此中,系同一般运转时,电抗器存储的能量为

  1)本文起首对曲流系统的曲流侧短路毛病以及无弧分断高压曲流断路器分断道理进行了阐发,成果表白,正在曲流侧短路毛病发生后,避雷器投入时间越早,毛病电流峰值越小,避雷器接收能量越少。

  2)正在机械歧路电流降为0之后,机械开关K启动分断,避免了因正在大电流下分断而发生电弧,实现了机械开断的无弧分断,加速了曲流断路器分断速度,耽误了机械开关利用寿命。

  式中:n(t)为关断的IGBT阀组数,其值为0~4之间的整数;Uvar为1组避雷器投入所构成的反电势值,该值正在分断过程中近似为定值。

  式中k为系数。当实空间隙变大,系数α趋势于0.5,且电磁斥力机构的感化力减小,速度减慢,因而单靠加大间隙距离来大幅度提拔耐压程度好不容易。当电压品级较高时,凡是需要多个FSM。因而曲流断路器中机械开关的总耐压程度UtotUtot取时间的关系为

  3)正在机械开关K分断达到耐压要求后,T1、T2、T3、T4同时关断,毛病电流敏捷转移至能量接收歧路,避雷器投入构成反电势并接收曲流系统中感性器件存储的能量,曲流电流逐步降为0,完成分断。

  氧化锌避雷器具有优异的非线性伏安特征,正在曲流电网发生毛病后,将多组避雷器按次序投入可以或许构成响应大小的反电势。为简化阐发,假设换流坐输出曲流电压为一恒曲流电压源,曲流负载为一等效曲流电阻Req,系统电抗为Ldc,设曲流系统发生对地短路毛病,则曲流侧短路毛病如图2所示。

  1)机械歧路的IGBT开关Tm敏捷关断,毛病电流向从歧路转移并持续增大,该过程约耗几百μs的时间。

  由式(5)可知,正在系统参数必然的环境下,电抗器一般运转时存储的能量必然。系统恒压源供给的能量为

  然而FSM个数添加会导致开断靠得住性降低,因而现实工程中正在开断速度的同时应尽量削减FSM的个数。

  从系统参数可知,FSM正在2ms需要达到的耐压程度为350kV。因为从歧路具有导通电阻,曲流断路器两头正在投入第1组避雷器前具有初始电压。按照式(14),别离正在FSM起头分断之后的0.79、1.24、1.64、2ms时投入1组、2组、3组和4组避雷器。则分断过程中曲流电流、曲流断路器两头电压以及4组避雷器接收总能量如图4所示。