基于自然换流技术的地铁用直流断路器研究

摘要

我国是地铁大国，地铁项目的存量和增速都处于国际领先水平，但是地铁装备的国产化水平较低。直流断路器在地铁直流牵引供电系统的保护中起着关键作用，现在采用的产品依赖进口，且不能无弧关断，容易发生触头烧蚀导致断路器寿命降低。本文分析了当前主流的直流断路器技术路线，结合机械式和全固态两者优点的混合式方案是当前的研究热点。　　分析对比了强制换流方案和自然换流方案，对于地铁牵引供电系统1500V的电压等级，基于自然换流的混合式方案适合地铁用直流断路器。介绍了自然换流型混合直流断路器的拓扑结构、工作原理，研究影响断路器动作速度的因素，主要包括机械开关动作速度、电弧电压、固态开关导通压降和杂散电感等因素。　　对自然换流型直流断路器进行了拓扑改进。综合考虑设备的经济型、速动性和可靠性，进行自然换流型混合直流断路器方案设计。机械开关采用基于电磁斥力的高速真空开关，固态开关采用IGCT器件，并采用RCD缓冲电路和MOV限压吸能装置。IGCT相比其他电力电子器件，具有导通压降低、关断容量大和抗干扰能力强等优点，适合作为固态开关。　　在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，其中机械开关采用Mayr电弧模型代替，IGCT采用功能型模型实现。进行仿真验证，仿真结果表明：改进型自然换流型混合直流断路器的换流速度快，可以在2.7ms内完成故障电流的开断。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 直流断路器的技术路线和对比

1.3.1 机械式直流断路器

1.3.2 固态直流断路器

1.3.3 混合式直流断路器

1.4 本文主要工作

第2章 混合型直流断路器中的自然换流技术

2.1 换流方案的原理与对比

2.1.1 强制换流型

2.1.2 自然换流型

2.1.3 换流方案的对比

2.2 基于自然换流的混合直流断路器工作原理及时序分析

2.2.1 拓扑结构

2.2.2 工作原理

2.3 影响直流断路器开断速度的因素

2.3.1 直流断路器快速开断的重要性

2.3.2 影响因素分析

2.4 本章小结

第3章 改进型自然换流型直流断路器设计

3.1 改进型自然换流型直流断路器拓扑结构

3.2 机械开关

3.2.1 快速操动机构

3.2.2 真空灭弧室

3.3 固态开关

3.3.1 IGCT的基本结构和工作原理

3.3.2 IGBT、IEGT和IGCT的对比

3.3.3 ICGT的并联均流控制

3.4 限压吸能电路

3.4.1 RCD缓冲电路

3.4.2 MOV吸能装置

3.5 本章小结

第4章 自然换流型地铁用直流断路器的建模与仿真

4.1 Mayr电弧模型

4.1.1 Mayr电弧模型数学原理

4.1.2 Mayr模型建模

4.2 IGCT功能型模型

4.2.1 建模方法

4.2.2 IGCT模型结构

4.3 地铁用直流断路器仿真分析

4.3.1 传统直流断路器烧损原因仿真分析

4.3.2 改进型自然换流型直流断路器关断特性仿真

4.3.3 IGCT并联均流控制仿真验证

4.3.4 机械开关对关断特性影响的仿真验证

4.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文