PPT | 新型电力系统背景下的电力开关技术与装备

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核心速览

在新型电力系统背景下，针对我国电网容量大、电压等级高、交直流混联复杂的特点，研究电力开关技术与装备，包括机械开关的快速操动与脱扣、电流转移控制方法及多功能集成设计，以保障电网安全。

研究背景

我国电网建设处于世界前列，正加快构建直流和交流深度耦合的新型电力系统。电源端具有单机容量高（1200MVA）、额定电流20 - 30kA、故障电流超250kA的特点；电压等级最高，交流达1000kV，直流达±1100kV；交直流混联复杂，有9条交流特高压工程和13条直流特高压工程。单一故障不及时切除会波及其他地区电网，造成灾难性大停电，IEEE统计显示世界70%大停电事故由故障不能及时开断导致或加剧，而电力开关装备是保障电网安全的核心基础装备。

机械开关的快速操动与脱扣

• 快速真空开关
  ：快速真空开关是发电机断路器等设备的核心，需毫秒级响应，机械力在±100kN间大幅快速变化，加速度高达1000g，操动涉及多复杂过程。存在多物理场耦合仿真建模难、高响应速度下参数设计难、效率低体积大等难点。创新思路包括快速简化等效电路模型、特征参量提取、能量循环与储能电源共用。提出电磁驱动缓冲方法，构建场 - 路耦合快速简化等效模型，发现操动特性特征参量，提出整机设计方法，研发40.5kV/2ms快速开关样机，性能提高1个数量级。
• 快速真空开关小型化
  ：提出电磁驱动/缓冲/保持一体化和脉冲电容复用电路，解决短开距下弹簧保持失效和小型化难题。研发0.75 - 2.5kV快速真空开关，响应时间0.2ms，分断时间1ms，支撑低压配电高可靠供电。
• 高速灵敏电磁脱扣器
  ：电磁脱扣器是低压直流断路器在二次控保失电工况下的后备保护方案，存在整定范围无法扩展、刻度分辨率低、脱扣速度不足等问题。创新思路是不依赖主回路电流，通过附加绕组主动调节磁通。提出基于磁耦合的快速灵活脱扣整定方法，实现电流整定值多等级、宽范围在线调节，调节级数由2提升至3，分辨率由0.66kA/mm提升至0.33kA/mm，任意电流水平下响应时间小于3ms，速度提高为2.25倍，可应用于多种场景。

电力开关装备的电流转移控制方法

• 直流断路器中的电流快速转移
  ：百微秒万安级电流快速转移是直流开断前提，现有电阻换流方法损耗高、电容换流方法代价大，转移支路占机械式直流断路器体积/成本的70%以上，转移支路容量与频率满足1/f关系，转移阻抗与频率满足f关系，实现大电流高频振荡转移是轻型化设计关键。有激励源在转移支路（由半桥等电路配合预充电电容构成）和激励源在主支路（由全控型器件配合避雷器构成）两种方案，基本原理是谐振源电压和电流满足电源惯例，产生电流增幅振荡。采用两组模块式IGBT交叉触发实现高频振荡，研制10kV/10kA/10kHz原型样机，体积为宽0.8米深1.2米高2米，已完成风洞起弧模拟测试。
• 容量提升要求下的电流转移抑制
  ：抽水蓄能机组和特高压直流组网中，存在灭弧室和器件并联以满足容量要求的情况，机械动作或器件不一致会导致电流转移。针对器件并联场景，分析缓冲形式、触发同步性、杂散电感对均流性能的影响，提出引入杂散电感的并联器件均流方法，均流系数由61%提升至95%；还提出正反向嵌套磁环的无损无感均流方法，嵌套磁环在有限空间引入更大等效电感，正常运行时正反向磁通抵消无损耗，不均流时自动体现电感起均流效果，均流系数高达96%。通过等效缩比实验，推导附加电感、磁环长度及外径的成套设计方法与量化准则，仿真和实验结果表明均流系数可达96%以上。

电力开关装备的多功能集成设计

• 大容量集约化直流转换开关集成
  ：西部清洁能源大规模远距离直流送出输电走廊紧张，输电容量向10GW发展，现有转换能力低于6.4kA，亟需8kA以上转换技术储备；多类型转换开关配置不同规格平台，利用率低、占地大，紧凑空间需集约型直流转换系统。提出电流逐级转移的多端口集成方案，送端MRTB/ERTB/NBS/NBGS共用振荡平台和耗能平台，利用气体开关高通流能力和真空开关高频开断性能，配合谐振电流转移方法，使电容容量要求由5×108μF降低至10μF，下降95%以上，实现振荡平台小型化。分析转换开关与直流系统相互作用的耗能机理，推导耗能需求和电压、时间的关系，合理设计电压实现耗能平台小型化。
• 直流开断与卸荷功能集成
  ：直流卸荷器并联在受端MMC出口，由IGBT器件和耗能电阻构成，结构与混合式直流断路器高度相似，控制复杂需闭环控制适配功率变化。基本原理是直流断路器部分避雷器动作建立1p.u.暂态电压，MMC旁路等效为电感 + 电阻形式建立直流卸荷通路，直流断路器动作逻辑不变，利用避雷器伏安特性曲线自然适配风机功率水平。该方案卸荷过程无需闭环控制，实现直流开断和卸荷集成，IGBT配置数量降低25%，耗能需求配置降低30%。