新型电力系统背景下的电力开关技术与装备
新型电力系统背景下的电力开关技术与装备 汇报人：温伟杰（李斌团队）单位：天津大学 2025年11月23日 汇报内容 研究背景 机械开关的快速操动与脱扣 电力开关装备的电流转移控制方法 四、电力开关装备的多功能集成设计 研究背景 单一故障的不及时切除将迅速波及其他地区电网，造成灾难性大停电事故 研究背景 电力开关装备是保障电网安全的核心基础装备，是“安全卫士”！ 研究背景 新型电力系统背景下的开关装备新要求 汇报内容 研究背景 二机械开关的快速操动与脱扣 一电力开关装备的电流转移控制方法 四、电力开关装备的多功能集成设计 研究进展1：快速真空开关 研究背景：快速真空开关是发电机断路器、限流器、直流断路器中的核心设备秒级响应要求机械力在土100kN间大幅快速变化，加速度高达1000g，操动过程涉及电路-磁场-机械-温度等复杂过程！ 存在难点：多物理场耦合的仿真建模难、极高响应速度下的参数设计难、效率低导致的体积大创新思路：①快速简化等效电路模型②特征参量提取③能量循环与储能电源共用 研究进展1：快速真空开关 提出电磁驱动缓冲方法，构建有限元与微分方程组联合的场-路耦合快速简化等效模型 发现操动特性的特征参量，提出整机设计方法，研发40.5kVl2ms快速开关样机，提高1个数量级 研究进展2：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 研究进展3：高速灵敏电磁脱扣器 电磁脱扣器广泛应用于低压直流断路器，是断路器在二次控保失电工况下的后备保护方案，通过在闭合磁路中感应电磁力实现脱扣动作，但整定范围无法扩展、刻度分辨率低、脱扣速度不足。 创新思路：不依赖主回路电流，通过附加绕组主动调节磁通，拓宽电流整定范围并提升脱扣速度！ 研究进展3：高速灵敏电磁脱扣器 提出基于磁耦合的快速灵活脱扣整定方法，实现电流整定值的多等级、宽范围在线调节，调节级数由2提升至3，调节分辨率由0.66kA/mm提升至0.33kA/mm，在任意电流水平下可保证响应时间小于3ms，速度提高为2.25倍，可应用于电磁脱扣器、电磁阀等多种场景！ 汇报内容 研究背景 二机械开关的快速操动与脱扣 三、电力开关装备的电流转移控制方法 四、电力开关装备的多功能集成设计 研究进展4：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的前提，现有电阻换流方法损耗高、电容换流方法代价大 转移支路是机械式直流断路器体积/成本的主要来源（>70%），转移支路容量与频率满足1/F关系但转移阻抗与频率满足关系，如何实现大电流高频振荡转移是直流断路器轻型化设计的关键！ 研究进展4：直流断路器中的电流快速转移 两种方案：激励源在转移支路，由半桥、全桥或晶闸管桥式电路配合预充电电容构成：激励源在主支路，由全控型器件配合避雷器构成： 基本原理：谐振源的电压和电流总满足电源惯例，为振荡过程提供正反馈，产生电流增幅振荡！ 李斌李鹏宇，温伟杰，等.机械式直流断路器性能分析及谐很换流方法J电工技术学报，2022.37（09）2139-2149温伟杰，本码宇，李斌等.多端口机械式直流断路器的动作策略与参数优化.电力系统自动化，2021.45（11)：86-94 研究进展4：直流断路器中的电流快速转移 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： 宽0.8米深1.2米高2米，已在中国航天空气动力技术研究院完成风洞起弧模拟测试！ X.HuangWeijie Wen,et al,"Iow-costMulti-PoriDCTransferSwitchforHVDC System basedonLineCommutated Converter"inIEEETransactions onPowerElectronics,doi:10.1109/TPEL.2025.3615977. 容量提升要求下的电流转移抑制研究进展5： 灭弧室和器件并联的工程背景： ■抽水蓄能机组容量300~425MVA，断路器额定电流12.5~17.5kA，短路开断电流100kA~130kA：真空灭弧室并联以满足通流和开断电流要求！机械动作不一致为毫秒级，电流转移35kA/ms 特高压直流组网，直流断路器额定电流6.25kA>3kA，短路开断电流超60kA>25kA：真空灭弧室并联满足通流要求、器件并联来满足开断要求！器件不一致为微秒级，电流转移0.32kA/us 灭弧室井联 W.Wen,H.Jin,B.Li,PLi,H.Liu and B.Li,"BreakingCurrentBalanceEnhancementforParallelIGBTModules inDC CircuitBreaker,"inIEEETransactionsonPowerElectronics,vol.38,no.12,pp.15433-15441,Dec.2023,doi:10.1109/TPEL.2023.3315270 研究进展5：容量提升要求下的电流转移抑制 方法1一一各支路引入杂散电感并做分布式限压保护，但引入的杂散电感有损耗 针对器件并联场景，分析了缓冲形式（集中式/分布式）、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% 寄生电感对对均流性能的影响 W.Wen,H.Jin,B.Li,PLi,H.Liuand B.Li,"BreakingCurrentBalanceEnhancementforParallelIGBTModulesinDCCircuitBreaker,"inIEEETransactionsonPowerElectronics,vol.38,no.12.pp.15433-15441,Dec.2023,doi:10.1109/TPEL.2023.3315270 研究进展5：容量提升要求下的电流转移抑制 方法2-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内引入更大等效电感，抑制支路间的电流动态转移；正常运行时，正反向磁通抵消，对外不体现电感，无损耗；不均流时自动表现电感起到均流效果，均流系数高达96% 磁环尺寸相同下，有三种布置方案：独立嵌套、正反向嵌套、同向嵌套（0p.u.），环路中等效电感分别为：1p.u./8p.u./0p.u.，但对外不显示电感，正反向嵌套磁环方案最优！ 各自独立嵌套磁环 同向嵌套磁环 研究进展5：容量提升要求下的电流转移抑制 等效缩比实验：保证与实际大电流场景下（60kA）磁环饱和程度一致、均流系数要求一致 量化准则，仿真和实验结果表明，均流系数可达96%以上 汇报内容 研究背景 机械开关的快速操动与脱扣 一电力开关装备的电流转移控制方法 四、电力开关装备的多功能集成设计 研究进展6：大容量集约化直流转换开关集成 口转换能力驱需提升：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，吸需8kA以上转换技术储备口集约设计需求迫切：多类型转换开关配置不同规格的振荡/耗能平台，平台利用率低、占地大，紧空间驱需集约型直流转换系统（陆上地形复杂、海上平台场景） 研究进展6：大容量集约化直流转换开关集成 口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的高通流能力，满足大负荷电流要求：利用真空开关优异的高频开断性能，配合谐振电流转移方法，电容容量要求由5×108uF降低至10uF，下降95%以上，实现振荡平台小型化设计！ 温伟杰；张长虹；黄小霞；李斌；王旭；黎卫国；李明洋；杨旭一种基于可控负压源的多端口直流转换开关的控制方法.202510561331.0[P] 研究进展6：大容量集约化直流转换开关集成 口大容量直流转换开关耗能平台设计：分析了转换开关与直流系统相互作用的耗能机理，推导了耗能需求和电压、时间的关系一电压越高，转换时间越短，耗能需求越小 避雷器参数的影响 电流转移分布过程 切换过程能量分布图 张长虹，黄小霞，温伟杰，黎卫国，杨旭，李明洋，李斌，土400kV及以上电压等级的常规直流输电系统的运行方式切换特性分析.高压电器 研究进展7：直流开断与卸荷功能集成 口直流卸荷器：并联在受端MMC出口，由IGBT器件和耗能电阻构成，包括集中式和分布式多种类型结构上与混合式直流断路器高度相似！口控制复杂：为适配不同的功率水平，采用占空比控制线性电阻的投入/退出，使等效卸荷电阻适配功率的变化，必须采用闭环控制，适配功率水平！ 研究进展7：直流开断与卸荷功能集成 口基本原理：直流断路器的部分避雷器动作，以建立1p.u.的暂态电压MMC旁路，等效为电感+电阻形式，为直流断路器建立直流卸荷通路口直流断路器的卸荷可行性：直流断路器的动作逻辑不变：利用避雷器的伏安特性曲线直流卸荷功能可自然适配风机功率水平： 研究进展7：直流开断与卸荷功能集成 卸荷效果对比：直流断路器的卸荷过程中不需要闭环控制、卸荷过程平稳化和功率水平的自适应实现了直流开断和直流卸荷的集成
