新型混合式断路器结构及动作特性研究

混合式断路器(HCB)结合了机械式断路器和固态断路器的优点,是国际上断路器研究的新方向.介绍了几种混合式断路器的典型结构,阐述了自然换流和强制换流的原理.着重研究了一种基于自然换流和IGBT软关断技术的新型混合式结构,并针对该拓扑结构研制了混合式断路器.试验表明,该新型混合式断路器具有合闸和分闸动作的快速性、一致性以及限压限弧特性.     

一种新型混合式断路器装置

将机械开关的静态特性和固态开关的快速性相结合研制了一种新型混合式断路器装置。该装置的动作机构由绝缘栅双极晶体管IGBT固态开关和机械断路器组成,采用新型的基于自然换流和IGBT软关断技术的混合式拓扑结构,IGBT由EXB 841提供驱动和保护。试验表明,该混合式断路器装置在分合闸过程中具有动作速度快,动作一致性高,限压限弧能力强等特点。装置的测控部分采用数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD相结合,提高了控制的实时性和灵活性。     

换流阀用与直流断路器用压接型IGBT器件差异分析

压接型IGBT器件以其耐受电压高、电流密度大、控制功率低、开关速度快以及双面散热等优势成为柔性直流输电系统中换流阀和直流断路器选用的理想器件。由于应用装备的差异,换流阀和直流断路器对于压接型IGBT器件分别提出了低通态压降和高短路关断能力的要求。分析了换流阀用压接型IGBT器件和直流断路器用压接型IGBT器件外部和内部电流、电压、温度和压力的差异,总结了两种器件应用过程中可能存在的主要失效原因,提出了封装设计中需要重点考虑的技术问题。     

直流固态断路器主电路拓扑结构设计与研究

针对直流系统的特点,借鉴混合式固态断路器的换流思想和电流转移分断的思想,改进了断路器的结构,提出了适合于更高电压等级的用于直流电力系统的新型断路器拓扑结构方案。该方案使用了软开关和谐振强迫换流思想,成功实现了开关的软开通和快关断。试验结果证明了理论推导的正确性以及拓扑结构的可行性。     

直流固态断路器拓扑结构的设计与分析

现有的机械式断路器难以满足电力系统的速动性要求,而目前已开发研究的固态断路器(solid-state circuit breaker,SSCB)大部分都是用在交流系统中,利用交流的自然过零点控制其开断,不适合用于直流系统中。针对直流系统所固有的特点,利用谐振强迫换流思想,提出一种用于直流电力系统的新型断路器方案。该方案使用软开关和谐振强迫换流思想,可实现开关的软开通和快关断。给出断路器拓扑结构,分析得出其数学解析模型,并说明各个工作模态的物理过程。研制新型小功率实验样机,通过正常开通关断实验以及过载保护关断实验,验证其可靠性。实验结果证明了理论推导的正确性以及拓扑结构的可行性,可推广应用于并网及非并网的直流输配电系统。     

自然换流技术在地铁混合型直流断路器的应用研究

直流断路器是构成直流牵引供电系统的关键设备。目前,地铁牵引供电系统多采用空气式直流断路器,关断时间较长,且关断过程对灭弧栅片烧蚀严重。对此,提出一种基于自然换流的混合型直流断路器,适用于地铁直流供电系统。分析了影响混合型直流断路器开断速度的因素,对断路器方案进行了设计,采用IGCT作为断路器的固态开关。在MATLAB/Simulink上搭建了仿真模型并进行仿真验证,结果表明基于自然换流的混合型直流断路器换流速度快,可在4 ms内完成故障电流的关断。     

基于IGBT软关断的混合式限流断路器结构与分析

回顾了混合式限流断路器的发展,针对4000 A/400V低压场合,提出了一种新型的基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)软关断技术的混合式限流断路器的结构,在保证能迅速切断故障的同时兼顾了IGBT的瞬间特性,这种结构具有简单、实用的特点.文中介绍了其工作原理及设计要点,并进行了相关的仿真实验,在此基础上分析了混合式限流断路器的性能参数.实验表明,它综合了机械式断路器和固态开关的优点,可以在故障发生后极短时间内达到限制短路电流增大的目的,将在电力系统中得到更广泛的应用.     

一种基于di_C/dt反馈控制的大功率IGBT驱动保护方法

针对大功率IGBT提出一种新型的有源门极驱动保护方法。在IGBT正常开通与关断过程中,利用di_c/dt反馈控制,设计软开通及软关断电路,有效缩短IGBT的开通与关断时间,提高IGBT的开关频率,减小器件功率损耗;在IGBT发生短路时,结合di_c/dt反馈技术,设计改进型有源钳位保护电路,实现IGBT软关断,防止关断时产生较大的过冲电压损坏IGBT,同时有效减小门极触发电阻R_g上的损耗。利用Saber软件进行电路仿真,并基于大功率IGBT模块YMIF1200-33实验平台,验证方案的可行性,结果表明,相对于传统控制方案,正常开关情况下,开通时间缩短了26.5%,关断时间缩短了52.6%;短路情况下,相对于传统有源钳位方法,改进方案在有效钳住V_(CE)电压的同时,关断期间门极电阻上的电流减小到原来的35.4%,并能在短路发生的第一时间迅速可靠地关断IGBT。     

直流断路器半导体组件内母排电感对并联IGBT关断特性的影响及其结构优化

大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)混合式高压直流断路器是适应多端柔性直流输电工程发展的关键装备,优化断路器半导体组件内IGBT故障大电流的关断特性进而确保器件安全可靠运行是断路器工程的重要部分。文章围绕组件内杂散电感对IGBT关断瞬态电压峰值、关断损耗和并联IGBT间关断动态均压、均流特性的影响,对组件的母排结构进行了优化设计。通过实验和仿真对比研究可得:采用将2组缓冲RCD分散、对称布置于并联IGBT两侧的方式设计的母排结构可更大程度优化并联IGBT的关断瞬态特性,但采用将单组缓冲RCD布置于并联IGBT中间的方式可在满足器件安全可靠运行条件的同时提高经济性,更适合工程应用。该研究结论可为基于并联IGBT的直流断路器组件中母排结构设计及优化提供技术指导。     

新型强迫换流型限流断路器真空介质强度的恢复特性

为了保证新型强迫换流型真空直流限流断路器关断短路电流的可靠性,对该型断路器分断过程的真空介质恢复特性进行研究。设计了与断路器关断过程等效的介质恢复试验方案,通过等效试验结果和理论推演公式的拟合,得到了新型强迫换流型限流断路器真空灭弧室触头打开过程的动态介质强度恢复规律。研究结果表明:减小燃弧能量、提高触头运动速度可提高真空灭弧室介质的临界击穿电压;综合考虑燃弧时间与燃弧能量及触头开距的关系,随着燃弧时间的增加,真空灭弧室临界击穿电压先减小后增大。所得介质恢复规律可以作为新型断路器优化设计的参考依据。     

直流快速开关换流分析

介绍了超导托卡马克装置中失超保护开关--直流快速开关的工作原理,并通过理论和实验分析了其在换流过程中的规律.为超导磁体失超保护开关及电感储能脉冲电源电路的开关选择和电流换流回路参数的确定提供依据.     

混合型限流断路器在高短路电流上升率时换流试验分析

提出了一种基于高速斥力开关和双向晶闸管开关的新型混合型限流断路器方案,在研制出3 kA/320 V限流断路器样机基础上,对其在高短路电流上升率时的换流过程进行了分析和试验研究.推导了换流过程的等效电路模型和换流时间的计算公式,并进行了不同电流上升率的限流试验以验证所建模型的正确性.通过减小换流支路电感和减小斥力开关动作延时,样机成功实现了13.6 kA的电流转移(电流上升率为26 A/μs)及限流分断,换流时间仅为100μs.     

基于IGBT的直流混合型固态断路器及其换流过程

分析和比较了各种固态断路器的优、缺点,提出了适用于直流电力系统的基于IGBT的混合型固态断路器.通过搭建的固态断路器试验平台,进行了直流短路电流分断试验,并理论分析了影响其换流时间的电路参数.与机械断路器分断短路电流实验结果的对比表明,该断路器能有效分断直流短路电流并且有分断时间快、限流能力强、无电弧等优点.     

A hybrid circuit breaker with fault current limiter circuit in a VSC-HVDC application

A conventional hybrid circuit breaker (HCB) is used to protect a voltage source converter-based high voltage direct current transmission system (VSC-HVDC) from a short circuit fault. With the increased converter capacity, the DC protection equipment also requires a regular upgrade. This paper adopts a novel type of HCB with a fault current limiter circuit (FCLC), and focuses on the responses of voltage and current during DC faults, which are associated with parameter selection. PSCAD/EMTDC based simulation of a three-terminal VSC-HVDC system confirms the effectiveness and value of HCB with FCLC, by using an equivalent circuit modelling approach. Laboratory experimental tests validate the simulation results. The peak fault current is reduced according to the current limiting inductor (CLI) increase, and can be isolated more quickly. By adopting parallel metal oxide arrester (MOA) with the main branch of HCB, voltage stresses across the breaker components decrease during transient and continuous operation, and less energy needs to be dissipated by the MOA. The remnant current for all cases is transmitted to power dissipating resistor (PDR) in the final stage, and the fault current is reduced to the lowest possible value. When the current from the main branch is transferred to the FCLC branch, transient voltage spikes occur, while smaller PDR is required to absorb current in the final stage.     

基于永磁操动机构的混合断路器开断能力探讨

论述了基于真空灭弧室和SF6灭弧室串联的混合断路器开断过程.探讨了真空灭弧室与SF6灭弧室对开断能力提升的协同作用,结合混合断路器开断能力提高的机理分析了混合断路器对其操动控制机构的要求.最后设计了一种基于真空断路器与SF6断路器串联的光控模块式混合型断路器实验模型,实验模型采用永磁操动机构解决真空灭弧室和SF6灭弧室...     

断路器状态在线分析技术

为了解决传统的断路器离线检修方法不能准确了解其在工频电压下的工作状态的问题,在分析了解断路器操作机构原理的基础上,利用交流钳式TA测试其分、合闸时间;利用电压探头测试其动作过程中直流电源电压波形;利用直流TA测试其直流控制回路电流波形;用纵向比较法、横向比较法、标准图谱法分析直流回路电流图谱。分析表明不同的故障类型有它典型的故障图谱,比较所测故障图谱和标准图谱可较早发现断路器机构故障。某变电站应用此法实现了快速锁定故障目标,说明提出的断路器状态在线分析技术能够测试其开合闸时间和较好反映其运行状态。     

基于小波变换的高压断路器机械故障监测装置的研究

高压断路器在电力系统中起着重要的控制和保护作用,对电网安全运行非常重要。对高压断路器的概念进行简单介绍,并对其振动信号特点及原理进行了分析。针对目前高压断路器机械故障监测方法出现的各种弊端,研制出一种基于振动信号分析的断路器机械故障监测装置,该装置通过对振动信号进行小波变换分析能有效对断路器的运行状态和故障进行准确、及时、自动监测识别,同时能够实现故障前告警,对调整高压断路器运行状态,保证高压断路器的安全稳定运行具有重要意义。     

一种新的中压真空断路器三相同期在线监测方法

针对单独利用短时能量分析法在线监测断路器机械状态时可靠性较低的缺点,该文研究了利用脱扣线圈电流包含的信息来排除机械干扰信号带来的影响,从而提高断路器三相同期性在线监测的可靠性。通过对实际振动信号的分析得出,该方法可以屏蔽掉大范围的干扰噪声,显著提高短时能量法从现场含复杂噪声的振动信号中提取出振动起始时刻的可靠性。并与单独使用短时能量分析法和小波包提取法进行了比较。试验中将该方法应用于ZN12-35型真空断路器分合闸时的振动信号分析,准确得到了空载状态下三相分合闸的同期性。试验结果表明,此改进方法明显提高了短时能量法从振动信号中提取三相同期性的可靠性。