机械式高压直流断路器技术综述--中国期刊网

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机械式高压直流断路器技术综述

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：雷宗昌陈午阳

[导读] 摘要：与交流输配电相比，直流输配电网络不仅可以将大规模可再生能源与传统能源连接起来，充分提高可再生能源的利用率，而且还可以减少线路损耗，提高传输能力和距离，同时，解决了系统同步运行的稳定性问题。

        （河南平高电气股份有限公司河南省平顶山市 467000）
        摘要：与交流输配电相比，直流输配电网络不仅可以将大规模可再生能源与传统能源连接起来，充分提高可再生能源的利用率，而且还可以减少线路损耗，提高传输能力和距离，同时，解决了系统同步运行的稳定性问题。高压直流断路器技术是近年来解决直流输配电问题的热点技术之一。
        关键词：机械式高压直流断路器；机械本体；机械电子
        从高压直流断路器的发展历程来看，可分为三类:基于机械开关的机械高压直流断路器(传统机械断路器)、基于电子器件的全固态高压直流断路器和机械直流断路器通常是在更换交流断路器后获得的，具有稳定运行、负载能力强、切断能力大、电流损耗小等优点。
        一、高压直流断路器简介
        1.高压直流断路器的工作环境。目前，国家当局正在积极促进可持续经济发展。然而，经济的迅速发展迫使人们更多地使用能源资源，因此促进可持续经济发展十分重要，交流传统电网再也不能适应经济发展的要求，在国内外大力开展了研究直流输电网，使直流输电在短容量和小容量运输情况下得到有效应用。这在一定程度上减少了输电过程中电力资源的损失，在一定程度上为电力用户提供了更好的能源资源，加快了中国的经济发展步伐，大大促进了经济的可持续发展。
        2.简述直流网络技术的发展。为了确保国内和国际经济的可持续发展，我们将加紧研究新能源、新材料和新技术，并将其应用于日常经济活动。在这方面，能源需求更稳定，更适合日常活动。为了降低能源成本和满足需要电力的人的需要，技术人员用直流供电网络取代了传统的备用供电网络，从而大大提高了电网的供电能力，消除了配电误差，由于直流电网寿命短，直流电源技术的研究还处于起步阶段，研究时间延长从长远来看，直流网的性能将大大提高。
        3.对高压断路器的制造问题进行了研究，为了给需要电源的人提供更好的电源，技术人员必须努力提高断路器的能力。以加快电力配电网项目的发展但是，在研究高压直流输电技术高压直流断路器使用过程中，仍存在以下问题:a.直流故障电流难以快速断开，因此直流网故障时，短路部分电流会迅速增大，易烧该部分机械设备；b.串并联元件的数量是高压直流系统中一个难以解决的问题。为了实现电气和电子设备的安全运行，必须解决这一问题。技术人员主要采用串并联方式实现电气电子设备的连接。但是，在高压环境中，电力和电子元件的串并联连接不能安全运行。因此，技术人员必须使用平行或混合连接电力和电子设备，这会增加直流断路器的体积，从而可能导致严重的均压问题。
        二、直流断路器日益增长的需求
        随着柔性直流输电和高压多端直流输电网的发展，直流断路器性能提出了新的要求。
        1.高压电流。随着多端、高压和大电流的发展，中低压和小电流领域适用的一些直流切断方法不能满足直流断路器的发展需要。
        2.开断高速。直流断路器开断速度不仅决定直流系统中其他关键元件的冲击电流等级，还决定断路器切断电流值本身。随着新的多部分直流输电系统，特别是柔性直流输电系统的开发，直流故障电流峰值较高，迅速增加。
        3.高可靠性和成本效益。与交流电源断路器不同，如果直流断路器不能及时开断，故障电流峰值将显着增加。因此，直流系统比交流系统更需要可靠性。
        大规模扩展多端直流系统需要大量直流断路器。直流固态器件的价格因素限制了直流断路器在高压和大容量系统中的应用。因此，直流断路器的发展应从经济角度考虑。

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        三、高压直流断路器关键技术简介
        1.电弧模型理论简介。通常，断路器开断电路时会产电弧。它实际上是一组非常高温的发光导电气体。气体发生在触头之间的接缝处，击穿产生。电弧模型是直流断路器的关键技术。为了提高生产率，国家主管部门必须加强对电弧物理学和黑盒模型的研究，以提高技术人员对电弧的认识。充分发挥短路器的作用
        2.介绍电力和电子元件并联均压、均流策略。为了提高压差开关的运行效率，研究人员必须为电气零部件选择正确的端口类型。然后采用实现电力电子元件均压、均流的适当方案和策略。当串联电力和电子元件全部泄漏时，串联电气和电子元件处于稳定的闭锁状态时，串联电力和电子元件的电压分布不均，可能会在严重情况下损坏电力和电子元件。当并联设备均流处理时，饱和电压较低的设备更容易受到损坏。
        3.简要介绍了直流断路器的辅助电路设计过程。除了开断拓扑的一部分之外，直流断路器还需要辅助电路支持才能工作。辅助电路通常主要由辅助电路组成，例如缓冲器电路和吸收电路。对于缓冲回路，技术人员必须使用实体开关将固态电路连接至电路。
        四、机械式高压直流断路器的技术概况与发展现状
        高压机械断路器通常通过使用交流断路器(油分、真空、SF6断路器等)改造直流系统实现断路进行重新改造。无自然过零直流电流，灭弧困难。在低压应用中，通过增加电弧电压、串联限流电阻或控制磁场的停电来实现中断，可以实现强制直流电弧的开断和灭弧。但是，在高电压峰值应用程序中，这是不可行的。一般来说，传统机械交流断路器的结构已经相应地改变，使直流电源断电时能够自动产生大于零的高变频器电流的电涌保护器能够在机械断路器切断高电压电流时的灭弧。20世纪70年代初，GE专家给出了机械直流振荡换流和灭弧功能基本结构，该断路器通过机械断路器、振动断路器电路，能量吸收和过压放电电路组成。上世纪70年代末，BBC开始研制500kV/2.2ka机械式高压直流断路器，如安装在太平洋直流输电线路工程CELILO换流站进行现场试验。断路器由四个结构相同的机械分断模块串联组成，振荡换流电路一般由LC谐振电路组成。为了防止开断过程中高频振荡过电压和大电流损坏设备，在振荡换流电路的两端应并联相应的吸能和过压放电电路。机械式直流断路器的灭弧方法一般分为自然振荡灭弧和强迫振荡灭弧。
        1.自然振荡灭弧。自然振荡灭弧直接利用电弧电压随电流增大而减小的非线性负阻效应，利用结构中的振荡电路和线路电感产生振荡电流，从而产生人工过零点。当电流通过过零点时，电弧可以熄灭。其控制方式简单可靠，但对电路参数的依赖性强，对元器件的选择要求高，开断电流能力弱，不适合高压大容量系统。
        2.强制振荡灭弧。强制振荡灭弧是利用外部电源对振荡回路中的电容器进行预先充电。分断时，通过控制与振荡回路相连，使高频振荡电流迫使电弧电流过零，从而实现断路器的分断。与自然振荡灭弧相比，强迫振荡灭弧能产生较大幅度的振荡电流，开断能力大，成功率高。但是，每次开断后，都需要对电容器进行充电，并增加振荡回路电容器的预充电和强迫振荡电流。该装置控制复杂，成本高。
        近年来，高压直流断路器逐渐成为直流电网的重要组成部分。为了确保直流供电网络的安全运行，技术人员需要加强对高压直流断路器及其关键技术的研究，以便向需要的人提供能源，并确保可持续的经济增长。
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