一種自適應電容限壓式高壓直流斷路器的製作方法
2023-07-29 02:12:11 2
本發明屬於高壓直流輸電領域，特別涉及一種自適應電容限壓式高壓直流斷路器設計方案。
背景技術：
相比高壓交流輸電，高壓直流(HVDC)輸電在遠距離電能傳輸、非同步電網互聯、海島送電、海底電纜輸電等方面有明顯優勢。高壓直流斷路器不僅是直流系統安全運行和保護的關鍵設備，也是發展多端直流輸電的重要前提。然而，直流系統電流沒有自然過零點，其故障電弧難以熄滅，使高壓直流斷路器快速分斷的技術難度大大增加。
相關學者針對高壓直流斷路器提出了很多設計方案，大體分為以下三類：
(1)機械開關式。這種高壓直流斷路器分斷時，反向電流產生支路通過自激振蕩或預充電震蕩的方式產生高頻反向電流，形成人工過零點，為電弧熄滅創造條件，使斷路器分段電流。但這種高壓直流斷路器形成人工過零點需要幾十毫秒，對機械開關動作快速性要求也較高。
(2)全固態開關式。這種高壓直流斷路器直接利用電力電子器件實現開斷。但是電力電子器件在線路正常運行時的通態損耗很大，而且，單個電力電子器件承壓能力和載流能力有限，需要大量的串並聯電力電子器件才能夠使之工作在額定範圍內，使這種高壓直流斷路器的造價昂貴、佔地面積大、結構和控制複雜。
(3)混合式。這種高壓直流斷路器將機械開關和電力電子器件相結合，分斷時，將故障電流轉移至固態開關支路，實現機械開關無弧分斷。這種高壓直流斷路器有效地規避了上述兩種斷路器的缺點，實現了無弧分斷。但這種方案亦存在較大的電力電子器件通態損耗使其維護費用依舊較高，控制流程仍然較複雜。
技術實現要素：
本發明針對以上問題，提出了一種自適應電容限壓式高壓直流斷路器。該方案通過在斷路器斷口兩端並聯接地兩組電容器，在限制短路電流上升幅度的同時，通過可控地併入新的電容，實現電弧電壓、電流過零，並在一定時間內將電弧電壓、電流限制在一個較小的幅值範圍內；線路正常運行時電力電子器件無電流通過，使所提斷路器電力電子損耗相對較小，維護費用低；藉助分壓電容和比較電容的汲流和限壓作用，可以在較短時間內成功分斷原本故障電流較大的情況。
本發明提出了一種自適應電容限壓式高壓直流斷路器，具體內容如下：
一般情況下，電容兩端的電壓不能突變。然而，經過研究發現，當兩個電壓初始值不等的電容並聯接通時，兩個電容聯結點總電荷不能突變，會出現電容電壓被迫突變的情況。本發明通過在快速機械開關兩端並聯接地兩組電容：分壓電容C01、C02及比較電容C0，並對電容C01並聯新的電容：調壓電容C1和C2。並聯後，斷口並聯調壓電容的一端電壓下降幅值如下：
其中，uL為線路的瞬時電壓。
當斷口並聯調壓電容的一端電壓下降幅值Δuk1大於並聯調壓電容前的斷口壓降uarc時，便能使斷口壓降過零並反轉，從而使另一組電容反向放電，使電流亦發生反轉過零。並通過對並聯電容的合理選擇，使電容投入時，斷口電壓和電流均維持在零點附近，從而實現成功開斷。
具體實現步驟如下：
1)分斷快速機械開關，在斷口處形成電弧。
2)根據併入第一個調壓電容組瞬間測得的斷口壓降uarc及線路的瞬時電壓uL確定第一個調壓電容組的值C1，合理搭配中間電容，快速併入。第一個調壓電容組C1大小的確定方法如下：
3)經1ms延時，檢測流經斷路器的電流ik，如果ik為零，則分斷成功，切除調壓電容C1後將其兩端短接，準備下一次動作；ik不為零，說明併入C1滅弧失敗，快速併入C2。第二個調壓電容組C2大小的確定方法如下：
其中uarc1為併入第二個調壓電容組瞬間測得的斷口壓降。
4)若滅弧成功，則分斷成功，切除調壓電容C1和C2後將其兩端短接，準備下一次動作；如果滅弧失敗，亦切除調壓電容C1和C2後將其兩端短接，進行第二次滅弧。
本發明使用的機械開關為500kV瓷柱式雙斷口斷路器；電容為BA(F)MED20-500-1W，並通過串並聯使其在額定範圍內工作；IGBT採用FZ1200R45KL3_B5，亦通過串並聯使其工作在額定範圍內。
本發明的特點是：提出了一種自適應電容限壓式高壓直流斷路器設計方案。該方案摒棄了現有三種方案使用振蕩電路製造過零點和使用旁路電路吸收短路電流的方法，利用電容電壓突變的特例，通過並聯電容的方式實現斷口壓降的突變，從而迫使斷口電壓、電流過零並反轉，並使其維持在零點附近，從而實現高壓直流開斷。該方案使得線路正常運行時電力電子器件無電流通過，使所提斷路器電力電子損耗相對較小，維護費用低。藉助分壓電容和比較電容的汲流和限壓作用，可以在較短時間內成功分斷原本故障電流較大的情況。
附圖說明
圖1為本發明設計方案的電容限壓式高壓直流斷路器的結構圖；
其中，分壓電容C01、C02；比較電容C0；調壓電容C1和C2；快速機械開關K；緩衝電抗器L；絕緣柵雙極型電晶體IGBT；氧化鋅避雷器MOA。
圖2為線路金屬接地故障時的電弧電壓與電流仿真圖。
圖3為線路200Ω高阻接地故障時的電弧電壓與電流仿真圖。
圖4為線路兩級短路故障時的電弧電壓與電流仿真圖。
圖5為線路正常運行時的電弧電壓與電流仿真圖。
具體實施方式
本發明提出了一種自適應電容限壓式高壓直流斷路器設計方案，具體內容如下：
一般情況下，電容兩端的電壓不能突變。然而，研究發現，當兩個電壓初始值不等的電容並聯接通時，兩個電容聯結點總電荷不能突變，會出現電容電壓被迫突變的情況。本發明通過在快速機械開關兩端並聯接地兩組電容：分壓電容C01、C02及比較電容C0，並對電容C01並聯新的電容：調壓電容C1和C2。並聯後，斷口並聯調壓電容的一端電壓下降幅值如下：
其中，uL為線路的瞬時電壓。
當斷口並聯調壓電容的一端電壓下降幅值Δuk1大於並聯調壓電容前的斷口壓降uarc時，便能使斷口壓降過零並反轉，從而使另一組電容反向放電，使電流亦發生反轉過零。並通過對並聯電容的合理選擇，使電容投入時，斷口電壓和電流均維持在零點附近，從而實現成功開斷。
本發明使用的機械開關為500kV瓷柱式雙斷口斷路器；電容為BA(F)MED20-500-1W，並通過串並聯使其在額定範圍內工作；IGBT採用FZ1200R45KL3_B5，亦通過串並聯使其工作在額定範圍內。
具體實現步驟如下：
1)分斷快速機械開關，在斷口處形成電弧。
2)根據併入第一個調壓電容組瞬間測得的斷口壓降uarc及線路的瞬時電壓uL確定第一個調壓電容組的值C1，合理搭配中間電容，快速併入。第一個調壓電容組C1大小的確定方法如下：
3)經1ms延時，檢測流經斷路器的電流ik，如果ik為零，則分斷成功，切除調壓電容C1後將其兩端短接，準備下一次動作；ik不為零，說明併入C1滅弧失敗，快速併入C2。第二個調壓電容組C2大小的確定方法如下：
其中uarc1為併入第二個調壓電容組瞬間測得的斷口壓降。
4)若滅弧成功，則分斷成功，切除調壓電容C1和C2後將其兩端短接，準備下一次動作；如果滅弧失敗，亦切除調壓電容C1和C2後將其兩端短接，進行第二次滅弧。
針對圖1所示電容限壓式高壓直流斷路器設計方案，實施詳細說明如下：
將該高壓直流斷路器接入電壓等級為±500kV，線路長度為1000km，輸送功率1000MW的高壓直流輸電線路中，針對線路金屬接地故障、200Ω高阻接地故障、兩極短路故障及正常運行四種情況下進行斷路器開斷。
1)線路金屬接地故障時斷路器分斷
線路中點3s時發生金屬接地故障，3.02s時快速機械開關斷開，產生電弧。1ms後投入調壓電容C1；若滅弧失敗，投入調壓電容C1後1ms時投入調壓電容C2。
測得3.02s時線路電壓為466.85kV，電弧電壓為6.01kV，根據公式：
得，投入調壓電容C1的大小為567.60μF，取為550μF。為體現投入調壓電容C2的效果，令投入調壓電容C1滅弧失敗，測得3.021s時電弧電壓為0.95kV，根據公式：
得，投入調壓電容C2的大小為328.67μF，取為350μF。通過仿真得，本發明直流斷路器在線路發生金屬接地故障時可成功分斷。
2)線路200Ω高阻接地故障時斷路器分斷
線路中點3s時發生200Ω高阻接地故障，斷路器動作，各元件動作時序同上。同上方法得到調壓電容C1的大小為474.59μF，取為450μF；算得調壓電容C2的大小為262.84μF，取為250μF。通過仿真得，本發明直流斷路器在線路發生200Ω高阻接地故障時亦可成功分斷。
3)線路兩極短路故障時斷路器分斷
線路中點3s時發生兩極短路故障，斷路器動作，各元件動作時序同上。同上方法得到調壓電容C1的大小為1171.78μF，取為1200μF；算得調壓電容C2的大小為1255.89μF，取為1300μF。通過仿真得，本發明直流斷路器在線路發生兩極短路故障時亦可成功分斷。
4)線路正常運行時斷路器分斷
線路正常運行，斷路器動作，各元件動作時序同上。同上方法得到調壓電容C1的大小為424.71μF，取為400μF；算得調壓電容C2的大小為227.64μF，取為250μF。通過仿真得，本發明直流斷路器在線路正常運行時亦可成功分斷。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其進行限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的普通技術人員來說，依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明所要求保護的技術方案的精神和範圍。