城市轨道交通混合式直流断路器高速分断关键技术研究

摘要

直流牵引供电系统负责为电力机车和其他设备提供电力，是城市轨道交通的核心系统之一。直流开关设备属于直流牵引供电系统重要组成部件，为直流牵引供电系统的安全稳定运行提供保障。当前我国城市轨道交通直流断路器多为国外公司空气式断路器产品，其开断速度较慢，且灭弧栅片存在烧蚀严重的问题，无法满足快速、稳定切除短路故障的需要。近年来，随着半导体技术的发展，出现了采用快速机械开关与电力电子元件并联的混合式直流断路器，具有通流能力强，无燃弧损耗的特点，但影响其开断速度和稳定性的高速分断技术仍有待突破，需进行深入研究。　　本文对混合式直流断路器的结构与工作原理进行了理论分析，得出影响混合式直流断路器高速开断性能的主要基础特性包括：真空电弧电流转移特性、真空短间隙介质恢复特性及IGBTs短脉冲开断裕量特性。搭建低压直流回路研究了不同电流参数、回路参数对真空电弧电流转移特性的影响，结合理论分析得到了真空电弧电流转移是否成功的判据，验证了电流转移速率的理论公式；测试不同电流幅值、电流下降率和真空开关开距对真空短间隙介质恢复的影响，得到了真空短间隙介质恢复速率的数学描述；提取IGBT仿真参数，建立IGBT的电热联合仿真模型，得到IGBT的短脉冲开断裕量，并通过试验得到IGBT可在导通时间600μs条件下，稳定开断3倍额定电流的结论。综合以上结论，本文提出了混合式直流断路器的智能开断策略，并设计了额定1.8kV/2.5kA，最大开断电流10kA，全分断时间2ms的城市轨道交通混合式直流断路器方案，搭建混合式直流断路器实验样机对高速开断策略进行了验证。本文研究内容为提升混合式直流断路器的开断速度与稳定性提供技术支撑，对中低压混合式直流断路器的设计提供一定参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 城市轨道交通直流断路器国内外研究现状

1.2.1 城市轨道交通直流牵引供电系统结构

1.2.2 空气式直流断路器

1.2.3 全固态直流断路器

1.2.4 混合式直流断路器

1.3 本文研究内容

2 混合式直流断路器的结构与原理分析

2.1 混合式直流断路器的结构与工作原理

2.2 混合式直流断路器高速分断关键问题

2.2.1 真空电弧电流转移阶段

2.2.2 IGBTs承担电流阶段

2.2.3 缓冲吸能阶段

2.3 本章小结

3 真空电弧电流转移特性

3.1 试验平台

3.1.1 试验电路

3.1.2 试验方法

3.2 真空电弧电流转移特性试验

3.2.1 电流幅值对转移时间的影响

3.2.2 IGBT支路电阻对转移时间的影响

3.2.3 主回路电感对转移时间的影响

3.2.4 电流上升率对转移时间的影响

3.3 试验结果分析

3.4 本章小结

4 真空短间隙介质恢复特性

4.1 真空短间隙介质测试回路与试验方法

4.1.1 试验电路

4.1.2 试验方法

4.1.3 等效性分析

4.2 真空短间隙介质恢复特性试验

4.2.1 触头开距的影响

4.2.2 电流幅值的影响

4.2.3 电流下降率的影响

4.3 结果分析与验证

4.4 本章小结

5 IGBT的短脉冲开断裕量

5.1 IGBT的结构与原理分析

5.1.1 IGBT的结构与工作原理

5.1.2 IGBT的工作特性

5.2 基于Hefner模型的IGBT短脉冲开断裕量仿真

5.2.1 Hefner模型简介

5.2.2 模型参数提取

5.2.3 仿真结果与分析

5.3 基于TCAD的IGBT短脉冲开断裕量内部影响因素的仿真

5.3.1 IGBT元胞建模

5.3.2 仿真结果及分析

5.4 IGBT短脉冲开断试验

5.4.1 试验内容

5.4.2 试验结果及分析

5.5 本章小结

6 1800V/10kA直流断路器设计及研制

6.1 断路器结构与软硬件设计

6.1.1 快速真空开关设计

6.1.2 IGBT换流支路与缓冲支路设计

6.1.3 智能控制部分设计

6.2 样机搭建与开断试验

6.2.1 1800V混合式直流断路器样机搭建

6.2.2 开断试验

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢