混合式高压直流断路器运行试验方法研究

摘要

混合式高压直流断路器作为电力电子技术领域新型的高端电力装备，其工作原理和运行工况均有别于传统的交流断路器或中低压应用领域的直流断路器，迄今为止其电气试验尚没有可以参照的国际或国家标准。为验证混合式高压直流断路器设计的合理性和正确性，准确反映断路器电、热与机械等性能，开展混合式高压直流断路器运行试验方法研究迫在眉睫。本文在深入地研究直流断路器运行试验相关理论基础上，对混合式高压断路器运行特性和应力特性进行了解析。进而，基于断路器拓扑和应力参数，建立了混合式高压断路器系统级和器件级数学模型，并对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进行研究，论证了整机应力和部件应力之间耦合关系。然后，根据应力特性和数学的研究结论，提出了混合式高压断路器运行试验成套方案，并详论述了最核心的分断试验方法，按照试验方案进行的试验其结果验证了仿真电路和数学分析的准确性。最后，提出了混合式高压断路器运行试验的等效性评价方法。
　　本文从直流分断原理、混合式高压直流断路器功能材料基础、混合式高压直流断路器关键器件基础和混合式高压直流断路器电路拓扑基础四个递进层次，分析了混合式高压直流断路器实现能量终止和吸收功能实现的原理，提出了针对混合式高压直流断路器这两点特征功能考核的物理基础，为混合式高压直流断路器试验研究奠定了基础。
　　本文在断路器拓扑和分断运行分析的基础上，详细研究了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，并论述了两种时间尺度暂态过程之间的联系，论证了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。
　　本文搭建了混合式高压直流断路器的PSCAD/EMTDC系统级运行数字仿真电路和器件级运行数字仿真电路，验证了关于混合式高压直流断路器毫秒级分断相关整机应力和微秒级换流相关部件应力规律，以及这两层应力特性之间的内在联系。
　　本文提出了混合式高压直流断路器运行试验框架，提出了分别基于LC振荡电源、基于小电容恒压源以及基于大电感恒流源的三种分断试验方法，并在此基础上，构建了单源试验、双源合成试验、三源合成试验三种分断试验方案。此外，在实验室建设了混合式高压直流断路器运行试验装置，成功完成了200kV混合式高压直流断路器整机分断试验、部件试验和500kV混合式高压直流断路器重合闸试验。
　　本文提取了混合式高压直流断路器型式试验等效性评价方法的核心，即具备工程实践意义的断路器应力等同关键参数。本文建立了基于整机应力和部件应力核心参数以及核心参数之间独立性和相关性联系的等效性评价方法，该方法能够正确评估断路器型式试验的等效性。
　　本文结论可指导混合式高压直流断路器电气结构和试验系统的设计，指导断路器运行试验装置设计与验证，助力断路器工程推广与应用。

目录

声明

摘要

1．1．1 背景

1．1．2 意义

1．2 国内外相关研究现状

1．2．1 混合式直流断路器设备研制

1．2．2 混合式直流断路器工程应用

1．2．3 混合式直流断路器试验方法

1．3 目前断路器运行试验方法研究中存在的问题

1．4 论文工作主要内容

第2章 断路器设计和运行原理

2．1 引言

2．2 直流分断原理

2．2．1 直流分断暂态过程

2．2．2 直流分断必要条件

2．3 直流断路器关键器件基础

2．3．1 MOV

2．3．2 IGBT

2．3．3 快速机械开关

2．4 直流断路器电路拓扑基础

2．5．1 拓扑设计

2．5．2 工作原理

2．5 直流断路器模块化设计基础

2．6 本章小结

第3章 断路器双时间尺度应力特性

3．1 引言

3．2 直流断路器运行特性分析

3．2．1 系统环境

3．2．2 运行工况

3．2．3 故障类别

3．3 直流断路器整机应力特性分析

3．3．1 整机应力相关时间参数

3．3．2 整机应力相关电压参数

3．3．3 整机应力相关电流参数

3．3．4 整机应力相关能量参数

3．3．5 整机特征应力参数提取

3．4 直流断路器部件应力特性分析

3．4．1 第一次换流过程

3．4．2 第二次换流过程

3．4．3 IGBT关断应力

3．4．4 电容缓冲应力

3．4．5 MOV触发应力

3．5 直流断路器系统级数学模型和仿真验证

3．5．1 直流断路器系统级数学模型

3．5．2 电流极值影响效果的仿真验证

3．5．3 电流上升率影响效果的仿真验证

3．5．4 系统电压影响效果的仿真验证

3．5．5 限制电压影响效果的仿真验证

3．6 直流断路器器件级数学模型和仿真验证

3．6．1 直流断路器器件级数学模型

3．6．2 断路器两次换流过程仿真验证

3．6．3 断路器外部因子影响效果的仿真验证

3．6．4 断路器内部因子影响效果的仿真验证

3．7 本章小结

第4章 断路器多源复合运行试验方法

4．1 引言

4．2 运行试验成套设计

4．3 分断试验方法

4．3．1 基于LC振荡电源的试验方法

4．3．2 基于小电容恒压电源的试验方法

4．3．3 基于大电感恒流电源试验方法

4．4 分断试验方案设计

4．4．1 单源试验方案

4．4．2 双源合成试验方案

4．4．3 三源合成试验方案

4．5 本章小结

第5章 断路器与运行试验电路统一建模与仿真

5．1 引言

5．2 断路器与试验电路统一建模

5．2．1 基于LC振荡电源的试验电路建模

5．2．2 基于小电容恒压电源的试验电路建模

5．2．3 基于大电感恒流电源试验电路建模

5．3 单源试验仿真分析

5．4 双源合成试验仿真分析

5．5 三源合成试验仿真分析

5．6 本章小结

第6章 断路器运行试验工程验证和等效性评价

6．1 引言

6．2 舟山工程200kV混合式高压直流断路器工程化样机

6．3 张北工程500kV混合式高压直流断路器工程化样机

6．4 运行试验装置

6．5 整机分断试验验证

6．6 部件考核试验验证

6．7 整机重合闸试验验证

6．8 断路器试验等效性原理

6．9 断路器试验等效性评价方法

6．10 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介