混合型限流及开断技术( 三 ) _生活百科

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混合型液态金属限流器该方案中大额定电流从快递转换开关上流过，故障发生时快速转换开关断开并将电流转移到LMCL上，由其快速起弧限流，克服了LMCL单独使用时额定电流仅为几百安的缺点。需要进一步研究的内容混合型限流断路器1)整体方案设计。自然换流型由于採用SCR, GTO, IGBT, IGCT等电力电子器件，单只器件耐压通常在10 kV以内，高压套用时需要多个器件串联，器件的同步控制和动态均压技术是发展难点，且多只器件串联要求机械开关的弧压高于器件串联导通压降才能进行电流转移，通常两者数值相差不大，增加了换流难度，需要对弧压、换流支路电感、电阻、电力电子器件压降等影响因素进行最佳化设计。此外，如果系统额定电流较大时，短路分断过程中电力电子器件可能承受较大的脉冲电流，需要机械开关的动作时间儘量短，以减小转移到固态开关并需要其分断的电流，防止电力电子器件击穿损坏。强迫换流型相对于自然换流型，其利用电容放电迴路创造电流过零点，利于在高压场合的套用，但由于机械开关电流过零后需要很快承受过电压，因此对机械开关熄弧后的触头间的介质恢复特性要求较自然换流型更高，不宜採用空气介质，需要採用真空、SF6等绝缘介质，强迫换流下的介质恢复及分断可靠性有待进一步研究。未来研究中可考虑将自然换流原理和强迫换流原理有机结合，或者採用SCR和IGBT串联的电力电子複合开关等新技术，或者採用压接型IGBT,加强型IGBT(IEGT), SiC等新型电力电子器件来设计新型限流断路器拓扑结构，採用EMTP,SABER等软体对机械开关、并联支路参数、整机控制策略进行最佳化设计。2)高速机械开关设计。混合型限流断路器开断电流的时间主要取决于其中的关键部件一一高速机械开关的动作时间，要使得它能在几百微秒内形成触头分离，几个毫秒的时间内形成足够的耐压开距，需要合理设计开关的断口及其配套的快速操动机构。为了中高压系统套用，断口可以採用真空或SF6气体为绝缘介质，并可设计适当的多断口串联以提高耐压。操动机构可採用电磁斥力驱动机构和永磁驱动机构并用方式，电磁斥力驱动机构用于满足短路分断时快速、可靠分闸，永磁驱动机构用于正常状态的断路器分合闸操作，以减小正常状态使用时对触头机构冲击，提高整机机械寿命。通过有限元分析软体ANSOFT对机械开关驱动电路进行仿真建模，分析斥力盘结构、线圈尺寸、驱动电容容量及工作电压对于机械开关的分断影响，最佳化参数。3)介质恢复特性分析。混合型限流断路器分断的可靠性还取决于过电压出现时机械开关中介质的恢复强度。介质恢复强度的影响因素包括触头打开过程中产生的电弧能量、触头打开的速度、触头上电流的下降率、过电压上升率、触头材料、结构及绝缘介质等。研究者可建立拆卸式灭弧室的电弧研究平台，利用合成迴路试验方式，并藉助于高速摄像机，研究不同影响因素下，机械开关触头分离过程中电弧形态演化和电弧电压特性，分析其介质恢复特性，并对整机的控制策略及参数设计提出要求。混合型限流熔断器1)电弧触发器设计。混合型限流熔断器中触发器设计需要综合考虑额定通流和短路限流2方面要求，较大的额定通流需要触发器熔体截面较大，势必使得触发器短路限流的快速性不够，因此在触发器熔体结构设计上需要考虑改进开孔方案、狭颈长度、宽度、焊接带间距、填充物等因素，以提高狭颈的载流密度，保证触发器在大额定电流下仍具有较低的弧前值。2)开断器设计。在满足额定通流基础上，设计能够快速可靠断开的新型开断器结构，缩短初始起弧时间，提高电弧电压，快速熄灭电弧的方法。建立开断器开断过程数学模型，通过ANSYS, ANSOFT等软体仿真分析不同结构形式对于温升特性、分断特性的影响，对开断器的结构进行最佳化设计。3)介质恢复特性分析。从分析开断器中电弧的平衡态组成和基本属性入手，建立藕合电场、磁场、热场及流场变化複杂过程的电弧数学模型，基于所建立的电弧模型进行FLUENT仿真，结合高速摄像拍摄的电弧现象，得到开断器分断过程中电弧特性的规律性认识。通过电弧重燃理论分析和介质恢複合成试验，研究开断器在不同燃弧能量、开断速度、介质恢复时间的介质恢复特性，提出改善介质恢复强度的方法，并对整机各组件参数的匹配性进行最佳化设计，保证限流熔断器分断的可靠性。基于新材料的混合型限流技术Bi2223, YBCO等超导材料在实际系统套用中对製冷设备有较高要求，需要複杂而昂贵的冷却系统保证其工作在超导状态，同时大电流系统需要多个超导元件并联，这就要求各超导元件能够均匀分布电流和失逾时具有失超一致性，此外由于失超后超导材料发热所产生的热量容易造成材料损坏，因此对超导材料失超保护技术也提出了很高要求。近年来以MgB2为代表的新型超导材料因具有较高的转变温度、良好的结构特性、较强的机械性能、快速的失超过程、较高的热传导率、相对低廉的製造成本、较好的临界电流密度和较高的电阻率、简单的製造工艺等优点，成为了超导故障限流器设计较理想的材料，下一步需要对其限流特性及工程套用方式作进一步研究。结语混合型限流及开断技术经过多年的发展，国内外学者已设计出多种混合型限流断路器、混合型限流熔断器、混合型超导限流器和混合型液态金属限流器拓扑结构，并在电力系统实际套用中取得了成功。随着高速斥力开关、高速开断器、新型固态开关器件、超导材料、液态金属材料等新技术、新材料的蓬勃发展和技术参数的不断提高，将涌现出更多类型的技术方案，通过提高机械开关分断速度、换流速度、并联支路分断能力、整机介质恢复速度，混合型限流及开断技术必将在未来电力系统，特别是直流电力系统保护中具有广阔的套用前景。