12kv175ka直流短路试验系统研究【字数：15835】
摘 要近年来，随着智能电网的推广，直流输电技术逐渐成为研究热点。为了提高输电灵活性，直流电网急需由两端输电向多端输电发展。然而，高压直流断路器作为承载着控制及保护两大重要任务的核心组件，其研究仍然存在技术瓶颈。为解决高压直流短路开断问题，开展高压直流断路器相关试验方法研究，验证高压直流断路器设计的正确性性和可靠性，为高压直流断路器的研发及制造提供技术支撑已迫在眉睫。本文首先介绍了直流断路器国内外的发展现状及其试验系统，阐述直流短路试验对直流断路器的发展和使用安全的重要性。为进行直流断路器短路开断试验，重点分析了直流断路器的开断过程并介绍了现阶段主要的直流开断方法；其次对直流试验系统的各个组件进行了说明，包括短路电源系统、整流变压器、整流柜、数据采集系统、远程控制系统等。然后利用PSCAD仿真软件对十二脉波整流电路进行了仿真研究，研究了交流侧的阻抗参数对短路电流的影响，并在此基础上建立了试验条件下直流试验系统仿真模型，仿真验证试验的可行性。最后，以4 kV/120 kA的直流断路器的短路试验为例，分析试验数据及波形，证明系统能够按照标准对断路器的开断能力进行检测。摘 要
目 录
1 绪论 1
1.1 背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 直流断路器 1
1.2.2 直流试验回路 3
2 直流断路器开断过程分析 6
2.1 直流开断必要条件 6
2.1.1 创造电流过零点 6
2.1.2 完成能量消耗 7
2.2 直流断路器参数 8
2.3 直流开断方法 9
3 直流短路试验系统 12
3.1 系统原理 12
3.2 短路电源系统 13
3.3 整流柜 14
3.4 综合保护系统 15
3.4 阻抗调节系统 16
3.5 数据采集系统 16
3.6 远程控制系统 16
3.7 系统特点 17
4 试验回路仿真研究 18
4.1 十二脉波整流仿真分析 18
4.2 阻抗参数对短路电流影响 19
4.2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
1 交流侧电阻对短路电流的影响 20
4.2.2 交流侧电感对短路电流的影响 21
4.2 直流试验系统仿真 23
5 试验研究 29
5.1 试验准备 29
5.2 分断特性标准 29
5.3 时序设置 30
5.4 试验结果及分析 30
6 总结与展望 35
6.1结论 34
6.2展望 34
6.3环境及可持续发展 35
参考文献 37
致谢 38
1 绪论
1.1 背景及意义
随着电力的广泛应用，电力工业对经济和社会的发展有着举足轻重的作用。国家一直都重视电力工业的发展，而电力工业需要大量高质量的电器设备，尤其是高压断路器，是电力系统中最重要的控制和保护设备之一。自第二次工业革命以来，电力已被广泛应用于各个行业。目前，世界上大多数国家采用交流输电的能源传输模式。随着交流输电系统的大规模应用，其固有问题也日益凸显，特别是系统同步性、传输稳定性、输电效率等问题依然十分突出。相比而言，直流输电系统只传输有功功率，无功损耗小，不需增加无功补偿设备，可大大提高远距离输电系统的经济性。与传统交流输电系统相比，直流输电系统有着十分显著的优势。同时，随着现代电力电子技术的发展，分布式电源的广泛应用，直流配电网有着巨大的发展前景。
断路器作为电力系统极为重要的组成部分。当电路处在某运行状态，并且需要断路器进行动作，应该能够可靠地动作，从而导通或开断电路。直流断路器作为直流电力系统的保护设备，对于保障直流配电网安全运行有着重要作用，直流断路器的发展也决定了直流输电电网能否从二终端向多终端转变。
不止如此，直流系统在轨道交通、舰船行业中也被广泛使用，而直流断路器作为控制和保护的核心组件，影响着直流系统的安全运行。因此开展高压直流断路器相关试验研究，验证高压直流断路器设计的合理性和正确性，为高压直流断路器的研发和制造提供技术支撑已迫在眉睫。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 直流断路器
在直流线路发生故障或线路检修的情况下，要求直流断路器迅速移除故障或检修部分。在直线线路有控制需求的时候，直流断路器就将要求部分的线路或电力设备接入或退出电路。但是直流电路没有自然过零点，开断直流较开断交流要困难得多。直流断路器根据结构可以分为三类：全固态直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。
在机械断路器中，真空断路器具有击穿电压高、介质恢复速度快，电弧能量低等特点，在中低压领域得到广泛应用。最早，英美两国开始研发真空断路器，德国和日本也相继展开研发工作，而国内发展较晚，为了提高其开断容量，进行了大量的研究与探索。
总体来说，国外对断路器的研究早于国内很长时间。早在1955年前苏联就搭建直流输电线路并展开了相关的研究工作，其在交流空气断路器的基础上，采用电流转移原理，研制出首台高压直流断路器，直流开断能力达到250A。其后相继有德国不伦瑞克工业大学、美国西屋公司等进行相关研发工作。上世纪80年代是直流断路器高速发展时期，日立研制了开断容量为250kV/8kA的直流断路器，在90年代末，日本的东芝在它之后制作出了容量为500kV/35kA的断路器。近年来，多断口的设计理念逐步成熟，真空断路器的容量随之快速提高。国内也开展了一定的研究，但主要停留在理论和建模仿真工作，如西安高压电器研究所以800kV特高压输电系统所用的直流断路器为研究对象，仿真电流转移的具体过程，之后上海交通大学建立以电流转移原理及自激振荡原理为指导的直流断路器仿真模型。
在固态直流断路器方面，国外的研究起步较早。1987年，美国研制出了以门极可关断晶闸管为主开关器件的200V/15A固态直流断路器；1999年，Dr.Jefffrey A.Casey等人详细阐述和列举了固态直流断路器在配电网中的分布、成本和工程应用；随后，休斯敦大学研发出的固态直流断路器样机，其电压等级达到500V；2005年，开断等级为2.5kV/1.5kA和4.5kV/4kA的样机由美国CPES研制并通过了测试。国内进行的工作主要集中于对直流断路器电路拓扑的研究，试验样机容量较小，集中在航空航天和舰船系统等特殊领域。中国人民解放军海军工程大学开展的应用于舰艇系统的固态断路器研究更侧重于低压大电流下的关断和限流，所以其应用场合受到限制。而中国工程物理研究所研制的20kV晶闸管固态开关重点研究的是晶闸管串联技术，其电流等级较低。
目 录
1 绪论 1
1.1 背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 直流断路器 1
1.2.2 直流试验回路 3
2 直流断路器开断过程分析 6
2.1 直流开断必要条件 6
2.1.1 创造电流过零点 6
2.1.2 完成能量消耗 7
2.2 直流断路器参数 8
2.3 直流开断方法 9
3 直流短路试验系统 12
3.1 系统原理 12
3.2 短路电源系统 13
3.3 整流柜 14
3.4 综合保护系统 15
3.4 阻抗调节系统 16
3.5 数据采集系统 16
3.6 远程控制系统 16
3.7 系统特点 17
4 试验回路仿真研究 18
4.1 十二脉波整流仿真分析 18
4.2 阻抗参数对短路电流影响 19
4.2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
1 交流侧电阻对短路电流的影响 20
4.2.2 交流侧电感对短路电流的影响 21
4.2 直流试验系统仿真 23
5 试验研究 29
5.1 试验准备 29
5.2 分断特性标准 29
5.3 时序设置 30
5.4 试验结果及分析 30
6 总结与展望 35
6.1结论 34
6.2展望 34
6.3环境及可持续发展 35
参考文献 37
致谢 38
1 绪论
1.1 背景及意义
随着电力的广泛应用，电力工业对经济和社会的发展有着举足轻重的作用。国家一直都重视电力工业的发展，而电力工业需要大量高质量的电器设备，尤其是高压断路器，是电力系统中最重要的控制和保护设备之一。自第二次工业革命以来，电力已被广泛应用于各个行业。目前，世界上大多数国家采用交流输电的能源传输模式。随着交流输电系统的大规模应用，其固有问题也日益凸显，特别是系统同步性、传输稳定性、输电效率等问题依然十分突出。相比而言，直流输电系统只传输有功功率，无功损耗小，不需增加无功补偿设备，可大大提高远距离输电系统的经济性。与传统交流输电系统相比，直流输电系统有着十分显著的优势。同时，随着现代电力电子技术的发展，分布式电源的广泛应用，直流配电网有着巨大的发展前景。
断路器作为电力系统极为重要的组成部分。当电路处在某运行状态，并且需要断路器进行动作，应该能够可靠地动作，从而导通或开断电路。直流断路器作为直流电力系统的保护设备，对于保障直流配电网安全运行有着重要作用，直流断路器的发展也决定了直流输电电网能否从二终端向多终端转变。
不止如此，直流系统在轨道交通、舰船行业中也被广泛使用，而直流断路器作为控制和保护的核心组件，影响着直流系统的安全运行。因此开展高压直流断路器相关试验研究，验证高压直流断路器设计的合理性和正确性，为高压直流断路器的研发和制造提供技术支撑已迫在眉睫。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 直流断路器
在直流线路发生故障或线路检修的情况下，要求直流断路器迅速移除故障或检修部分。在直线线路有控制需求的时候，直流断路器就将要求部分的线路或电力设备接入或退出电路。但是直流电路没有自然过零点，开断直流较开断交流要困难得多。直流断路器根据结构可以分为三类：全固态直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。
在机械断路器中，真空断路器具有击穿电压高、介质恢复速度快，电弧能量低等特点，在中低压领域得到广泛应用。最早，英美两国开始研发真空断路器，德国和日本也相继展开研发工作，而国内发展较晚，为了提高其开断容量，进行了大量的研究与探索。
总体来说，国外对断路器的研究早于国内很长时间。早在1955年前苏联就搭建直流输电线路并展开了相关的研究工作，其在交流空气断路器的基础上，采用电流转移原理，研制出首台高压直流断路器，直流开断能力达到250A。其后相继有德国不伦瑞克工业大学、美国西屋公司等进行相关研发工作。上世纪80年代是直流断路器高速发展时期，日立研制了开断容量为250kV/8kA的直流断路器，在90年代末，日本的东芝在它之后制作出了容量为500kV/35kA的断路器。近年来，多断口的设计理念逐步成熟，真空断路器的容量随之快速提高。国内也开展了一定的研究，但主要停留在理论和建模仿真工作，如西安高压电器研究所以800kV特高压输电系统所用的直流断路器为研究对象，仿真电流转移的具体过程，之后上海交通大学建立以电流转移原理及自激振荡原理为指导的直流断路器仿真模型。
在固态直流断路器方面，国外的研究起步较早。1987年，美国研制出了以门极可关断晶闸管为主开关器件的200V/15A固态直流断路器；1999年，Dr.Jefffrey A.Casey等人详细阐述和列举了固态直流断路器在配电网中的分布、成本和工程应用；随后，休斯敦大学研发出的固态直流断路器样机，其电压等级达到500V；2005年，开断等级为2.5kV/1.5kA和4.5kV/4kA的样机由美国CPES研制并通过了测试。国内进行的工作主要集中于对直流断路器电路拓扑的研究，试验样机容量较小，集中在航空航天和舰船系统等特殊领域。中国人民解放军海军工程大学开展的应用于舰艇系统的固态断路器研究更侧重于低压大电流下的关断和限流，所以其应用场合受到限制。而中国工程物理研究所研制的20kV晶闸管固态开关重点研究的是晶闸管串联技术，其电流等级较低。
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