基于換流技術(shù)的快速直流真空開關(guān)理論與應(yīng)用研究.pdf

1、清潔能源和可再生能源大多依賴直流系統(tǒng)傳輸，促使直流系統(tǒng)向互聯(lián)組網(wǎng)的方向發(fā)展。大容量直流開關(guān)作為直流電網(wǎng)靈活操作，故障時快速重構(gòu)的重要部件，應(yīng)用前景將十分廣闊。中壓直流集電網(wǎng)和基于直流區(qū)域配電的船舶綜合電力系統(tǒng)迫切需要性能可靠、功能全面、環(huán)境友好的直流開關(guān)。兼具真空開斷技術(shù)和有源換流技術(shù)二者特性的有源換流型直流真空開關(guān)，具備快速開斷、低成本和小型化等可預(yù)期特性，是中壓直流電網(wǎng)用開關(guān)設(shè)備的發(fā)展方向。
　　研制有源換流型直流真空開關(guān)時，

2、缺乏對電流強(qiáng)制過零時真空電弧調(diào)制特性的了解，缺少換流回路參數(shù)的優(yōu)化選取方法及低成本高性能的快速操動機(jī)構(gòu)，存在一系列理論難點(diǎn)與技術(shù)瓶頸。針對這些問題，本文分析了真空電弧的強(qiáng)制過零開斷特性，提出調(diào)控機(jī)制;提出了完整的換流回路參數(shù)計(jì)算方法，并針對小直流電流和雙向直流的開斷問題，提出解決方案;設(shè)計(jì)了基于斥力驅(qū)動，永磁力保持的快速真空開關(guān)系統(tǒng);結(jié)合船電應(yīng)用工況，開發(fā)了一臺5kV等級的快速直流真空開關(guān)樣機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下完成測試。
　　主開

3、斷單元的強(qiáng)制過零開斷特性決定著換流回路的參數(shù)選取和各組件間的動作時序配合，是產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中最重要的理論依據(jù)之一。本文從闡述真空電弧換流開斷的實(shí)質(zhì)著手，分析了直流故障電流換流開斷所面對的工況條件;利用一維熱傳導(dǎo)方程，分析了陽極表面溫度在直流故障電流強(qiáng)制過零開斷過程中的相關(guān)特性并提出調(diào)控機(jī)制;利用粒子守恒方程，分析了間隙金屬蒸氣密度在開斷過程中的相關(guān)特性并提出調(diào)控機(jī)制;利用杯狀縱磁觸頭的3D有限元模型，分析了縱向磁場在開斷過程中的特性。

4、r>　　換流回路的參數(shù)設(shè)計(jì)是有源換流型直流開關(guān)研究的核心部分。本文從有源換流技術(shù)的特性分析出發(fā)，分析了換流回路元件參數(shù)對主開斷單元上電流過零前的下降率dI/dt和過零后的恢復(fù)電壓上升率d V/dt的影響;基于有源換流的自身特性，提出完整的換流回路參數(shù)計(jì)算方法;針對小直流電流開斷存在的問題，提出一種利用聯(lián)鎖互動開關(guān)結(jié)構(gòu)的雙換流支路直流開關(guān)拓?fù)鋱D;針對雙向電流開斷能力的需求，提出一種四聯(lián)鎖換向開關(guān)，以解決換向開關(guān)的配合問題。
　　基于

5、快速操動機(jī)構(gòu)的直流開關(guān)本體設(shè)計(jì)，是研制其整機(jī)要面對的問題。本文從換流型直流開關(guān)對主開關(guān)的分閘特性要求出發(fā)，提出了一種基于斥力驅(qū)動，永磁力保持的快速真空開關(guān)結(jié)構(gòu);利用場路耦合的有限元分析了電磁斥力裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對其特性的影響，并提出設(shè)計(jì)導(dǎo)則;完成了快速真空開關(guān)驅(qū)動系統(tǒng)的特性測試，經(jīng)永磁保持裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)和增加反向電流緩沖措施后，滅弧室動觸頭達(dá)到6mm行程只需2.8ms。
　　作為大容量直流真空開關(guān)的應(yīng)用研究，研制了面向船舶綜合電力系統(tǒng)應(yīng)