基于pscad的直流斷路器設(shè)計(jì)方法研究

基于pscad的直流斷路器設(shè)計(jì)方法研究

在高壓下直接供電的結(jié)構(gòu)中，管道直道是一個(gè)重要的設(shè)備之一。在HVDC工程中,直流斷路器承擔(dān)著各種不同的任務(wù),當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修時(shí),在不停電的情況下改變供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的交流斷路器主要是應(yīng)用交流電流在每個(gè)周期內(nèi)的2個(gè)電流零點(diǎn)來熄滅電弧,從而開斷電流。然而在直流中,由于直流電流沒有電流零點(diǎn),這就給傳統(tǒng)意義上的斷路器帶來了一系列困難。1直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)換高壓直流輸電工程的主要運(yùn)行結(jié)構(gòu)根據(jù)情況分別有單極型和雙極型。其中雙極型分別有雙極兩端中性點(diǎn)接地,雙極一端中性點(diǎn)接地,雙極金屬中線3種類型。目前最常用的運(yùn)行結(jié)構(gòu)為雙極兩端中性點(diǎn)接地,是由2個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的單極大地回線方式組成,見圖1。當(dāng)某個(gè)換流器因?yàn)楣收匣蛘邫z修需要退出運(yùn)行的時(shí)候,雙極系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)為單極運(yùn)行?？晒┻x擇的單極接線方式包括:單極大地、單極金屬、單極雙導(dǎo)線并聯(lián)大地的3種回線方式。這些運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換,使得在高壓輸電工程中出現(xiàn)故障或者檢修的情況下,依然可以保證系統(tǒng)的正常供電,即系統(tǒng)在不退出運(yùn)行的情況下進(jìn)行故障檢修。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)的開合過程,可以實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)由雙極運(yùn)行模式向單極運(yùn)行模式的平滑轉(zhuǎn)換。4種典型的直流斷路器見圖1,即:NBS(NeutralBusSwitch)、GRTS(GroundReturnTransferSwitch)、MRTB(MetallicReturnTransferBreaker)、NBGS(NeutralBusGroundingSwitch)。其中MRTB是大地回路向金屬回路轉(zhuǎn)換斷路器。當(dāng)系統(tǒng)某極發(fā)生故障需要退出或者檢修時(shí)候,系統(tǒng)首先從雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)化為單極大地回路運(yùn)行狀態(tài)。由于該運(yùn)行狀態(tài)是以大地為回路,這將引起接地極附近地下金屬構(gòu)建的化學(xué)腐蝕以及由于中性點(diǎn)接地變壓器直流偏磁的增加而造成的變壓器磁飽和等問題。此時(shí)可以通過MRTB,將極電流從大地回路轉(zhuǎn)換到金屬回路中,保證系統(tǒng)相對(duì)長(zhǎng)期的運(yùn)行。GRTS是與MRTB配合的斷路器,可以使得系統(tǒng)運(yùn)行從金屬回線運(yùn)行方式轉(zhuǎn)化到大地回線的運(yùn)行方式。2交流濾波器開斷帶開斷電流的方法直流開斷的重點(diǎn)是如何在沒有電流零點(diǎn)的情況下滅弧,即將通過斷路器的恒定電流強(qiáng)迫熄弧。此外,由于直流系統(tǒng)中存在大量電感,需要將能量徹底吸收,同時(shí)抑止過電壓,避免保護(hù)設(shè)備受到損壞。對(duì)于低電壓、小電流的系統(tǒng)(如船艦、地鐵等)已經(jīng)有幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用或?qū)嶒?yàn)效果良好的方法,可以強(qiáng)迫恒定直流熄弧,比如增大電弧電壓法、分段串接入限流電阻以及磁場(chǎng)控制氣體放電管斷流法等。然而,這些方法適用于低電壓、小電流等級(jí),不能適應(yīng)高壓直流輸電中開斷大電流的要求。目前為止,在高壓直流輸電系統(tǒng)中的直流斷路器設(shè)計(jì)所采用的方法是基于交流斷路器的基礎(chǔ)上,通過各種措施將通過交流斷路器的恒定電流轉(zhuǎn)換為有電流零點(diǎn)的變換電流。這樣利用傳統(tǒng)意義上的交流斷路器所設(shè)計(jì)的直流開斷方案,可以達(dá)到開斷大電流的效果。對(duì)于將流過斷路器的恒定電流轉(zhuǎn)化帶電流零點(diǎn)的變換電流的方法,在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間都是利用少油斷路器并聯(lián)一個(gè)火花間隙與電容器串連在一起的回路。然而由于少油斷路器的局限性,它越來越多的被SF6斷路器所取代?？紤]到SF6斷路器的電弧電壓較低,故其并聯(lián)回路也有所不同,總的來說分為無源型和有源型2種。2.1分析方法ub典型無源型斷路器的結(jié)構(gòu)原理見圖2。由圖分析可得電路的方程:Ld2ipdt2+dUbdt+rdipdt+1Cip=0Ld2ipdt2+dUbdt+rdipdt+1Cip=0(1)式中Id,Ip,Ib——電源電流,流過并聯(lián)回路電流以及流過斷路器電流;Ub——斷路器電壓;R——線路電阻。經(jīng)過解方程可得到流過斷路器的電流表達(dá)式:Ib=Id×[1+e?(12L)×(R+dUbdib)×t×sinωt]Ιb=Ιd×[1+e-(12L)×(R+dUbdib)×t×sinωt](2)經(jīng)過分析可知,流過斷路器的電流Ib初始值為電源電流值,隨著斷路器觸頭分開,Ib開始振蕩,且幅值是不斷變化的。因此要使得電流過零點(diǎn)必須滿足以下條件:(1)R+dUbdib<0(1)R+dUbdib<0即dUbdibdUbdib必須為負(fù)數(shù),|dUbdib|>R|dUbdib|>R;(2)|dUbdib|(2)|dUbdib|越大,Ib振蕩電流幅值的增長(zhǎng)越快,越容易到達(dá)電流零點(diǎn)。在開斷電流成功的情況下,Ib波形見圖3。2.2電流到達(dá)電流零時(shí)關(guān)閉電流,以有源型的并聯(lián)輔助回路與無源型相似,然而回路中的電容有一個(gè)預(yù)充電過程。斷路器處于合位時(shí),先用充電裝置將電容預(yù)充電到一定的電壓。等到斷路器得到跳閘命令,觸頭開始分開時(shí),開關(guān)K合上,并聯(lián)回路投入使用。電容放電產(chǎn)生的反向電流與通過斷路器的正向電流疊加,得到一個(gè)變化電流。當(dāng)斷路器的開距達(dá)到額定開距后,變化電流到達(dá)電流零點(diǎn)時(shí)熄滅電弧從而開斷電流。有源型的直流斷路器可在短時(shí)間內(nèi)開斷大的直流電流,然而這種類型的直流斷路器組件較多,控制復(fù)雜,可靠性受到一定影響。成功開斷的電流波形見圖4。由于并聯(lián)電路投入后在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生變換電流并到達(dá)電流零點(diǎn),此時(shí)斷路器觸頭很可能未達(dá)到額定開距,在前幾個(gè)電流零點(diǎn)處沒有辦法熄弧,觸頭達(dá)到額定開距后,電流過零,將電弧熄滅,達(dá)到截流目的。由上分析得知,由于無源型并聯(lián)回路直流斷路器是利用并聯(lián)回路中的電容電感元件使得流過斷路器觸頭的電流產(chǎn)生振幅增加的振蕩,并且在電弧電流到達(dá)零點(diǎn)的時(shí)候開斷電流,其截流時(shí)間和效果取決與直流電流的大小以及并聯(lián)回路的性能。因此無源型并聯(lián)回路直流斷路器對(duì)于截?cái)嚯娏饕约安⒙?lián)回路元件值都有一定的要求。有源型并聯(lián)回路直流斷路器是利用充電電容電壓直接迫使流過斷路器觸頭的電流為零,其開斷能力相對(duì)與有源型并聯(lián)回路斷路器要高,然而其充電回路較為復(fù)雜,相對(duì)來說成本要高。因此針對(duì)4kV及以下的直流電流,多采用無源型并聯(lián)回路,而針對(duì)4kV以上的電流,采用有源型并聯(lián)回路。3pscad/emtdc中電弧模型的建立當(dāng)斷路器得到分閘命令的時(shí)候,斷路器觸頭開始分開,形成電弧。此時(shí)電弧成為一種電流載體,使得電流繼續(xù)在斷路器中流過,相當(dāng)于一個(gè)動(dòng)態(tài)的電阻。見圖5。由于電流截?cái)嗍且粋€(gè)動(dòng)態(tài)過程,電弧外特性也是隨著外在條件的改變而改變。長(zhǎng)期以來高壓斷路器的設(shè)計(jì)和研制,只能依靠物理過程的定性分析和簡(jiǎn)單的估算經(jīng)驗(yàn)和大量的試驗(yàn)研究來完成。由于斷路器的結(jié)構(gòu)以及電弧本身的復(fù)雜性,迄今為止還沒有得到適用面較廣的一般的電弧模型方程。近年普遍采用的是電弧的黑盒模型的研究。在這種模型下,電弧的動(dòng)態(tài)方程采用基本MAYR模型,其常數(shù)根據(jù)具體的斷路器通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)來求得。文獻(xiàn)在MAYR模型的基礎(chǔ)上,提出改進(jìn)的MAYR模型:1garcdgarcdt=1τ(uarc×iarcp?1)1garcdgarcdt=1τ(uarc×iarcp-1)(3)式中p——電弧能量損耗,p=p0·iaarcarca;τ——電弧時(shí)間常數(shù),τ=τ0·gbarcarcb;uarc——電弧電壓;iarc——電弧電流;rarc,garc——電弧動(dòng)態(tài)電阻和電導(dǎo),rarc=1garcrarc=1garc。p0,τ0,a,b都是通過大量的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到,而且不同類型的斷路器其值也不同。通過PSCAD/EMTDC仿真,可以驗(yàn)證其靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)動(dòng)態(tài)方程式(3),在PSCAD/EMTDC中建立電弧模型,見圖6。其參數(shù)為:p0=0.135×10-6,τ0=30×10-6,a=0.5,b=0.416電源電流Id=iarc=4sin314tkAPSCAD/EMTDC仿真得到的電弧特性,見圖7(a)、7(b)。4串聯(lián)回路參數(shù)的確定在動(dòng)態(tài)方程(3)的基礎(chǔ)上,建立直流斷路器模型,見圖8。定義電流開斷時(shí)間為從斷路器觸頭打開到完全截?cái)嚯娏魉玫臅r(shí)間。選取電源電流為3.5kA,并選不同參數(shù)的元件進(jìn)行仿真,其中并聯(lián)回路元件C,L采用不同值所得的電流開斷時(shí)間見圖9與表1。表中F代表開斷電流失敗或者開斷時(shí)間在40ms以上的情況。以下針對(duì)各參數(shù)直流斷路器開斷時(shí)間的影響,進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。基本方法是在其他參數(shù)固定不變的基礎(chǔ)上,只改變某一參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果見圖10。通過以上仿真,得出結(jié)論如下。(1)當(dāng)固定并聯(lián)回路的電容值時(shí),電感的選擇有一定范圍,倘若電感的選擇在此范圍之外則會(huì)出現(xiàn)斷流失敗。當(dāng)固定并聯(lián)回路的電感值時(shí),電容的選擇有一個(gè)最低值。如果電容值過低,流過斷路器的電流,振幅逐漸衰減,振蕩分量最后衰減為零,電弧電流恢復(fù)為直流。通過大量仿真可知,本文中所用的交流斷路器開斷3.5kA直流電流時(shí),其并聯(lián)回路中的電容器最小值為15μF。(2)若并聯(lián)回路采用同樣的電容值,電流開斷時(shí)間隨著電感值的不同而改變。從仿真結(jié)果可看出,隨著電感值的增大,開斷時(shí)間的變化趨勢(shì)是有先減小,再增加的趨勢(shì)。當(dāng)并聯(lián)回路采用同樣的電感值,電流開斷時(shí)間隨著電容值的增加減小。(3)回路電阻對(duì)電流開斷時(shí)間也有影響:在并聯(lián)回路采用相同電容,電感值的情況下,電阻越大,電流開斷時(shí)間越長(zhǎng)?？紤]到工程造價(jià)以及斷路器性能問題,并聯(lián)回路參數(shù)的選擇需要考慮:自然頻率、電流開斷時(shí)間、恢復(fù)電壓、以及過零點(diǎn)時(shí)電流電壓的變化率。在保證造價(jià)合理的前提下,盡量考慮采用低自然頻率,短的電流開斷時(shí)間。恢復(fù)電壓要控制在允許范圍內(nèi),以免斷路器在滅弧后出現(xiàn)弧隙擊穿重燃的現(xiàn)象。同時(shí)為保證成功截流,過零點(diǎn)時(shí)的電壓以及電流變化率要在斷路器本身承受范圍之內(nèi)。另外,附加在電容器上的電壓必須在其可以承受的范圍之內(nèi),因此要根據(jù)具體的工程結(jié)構(gòu)來估算出預(yù)計(jì)的恢復(fù)電壓峰值,從而使用避雷器來限制電壓,吸收多余量?？紤]以上因素,若采用文獻(xiàn)中的斷路器類型,可選取并聯(lián)電路元件參數(shù)為:Id=3.5kA,L=300μH,C=20μF,R=0.005Ω其中交流斷路器的跳閘信號(hào)為0.005s。得到的仿真結(jié)果,見圖11(a)、11(b)。5最大電流的確定及暫態(tài)恢復(fù)在直流側(cè)的轉(zhuǎn)換開關(guān)中,MRTB所承擔(dān)轉(zhuǎn)移的直流電流為最嚴(yán)重的情況。故在HVDC工程中,若直流斷路器的性能可以滿足工程中MRTB直流斷路器的要求,則該斷路器的設(shè)計(jì)也同時(shí)能滿足其他直流斷路器的要求。MRTB直流斷路器的工作過程:當(dāng)雙極系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),MRTB處于閉合狀態(tài),流過地極的電流為系統(tǒng)不平衡電流。此時(shí)GRTS處于斷開狀態(tài)。當(dāng)某一極因?yàn)楣收匣蛘邫z修需要退出運(yùn)行,系統(tǒng)由雙極運(yùn)行方式轉(zhuǎn)為單極運(yùn)行,此時(shí)流過地極的為負(fù)荷電流,即所有負(fù)荷電流通過大地流通。當(dāng)大地回路確定以后,閉合GRTS,使得一部分電流通過金屬導(dǎo)線流通。最后斷開MRTB,使得所有直流電流轉(zhuǎn)移到金屬回路上去。見圖12。通過PSCAD/EMTDC建立相應(yīng)的仿真模型見圖13,其線路模型參數(shù)取自于向家壩—上海800kV特高壓直流輸電工程,其中輸電線路長(zhǎng)2071km。MRTB所轉(zhuǎn)移的直流電流約為4.03kA,暫態(tài)恢復(fù)電壓峰值為125kV。直流斷路器并聯(lián)回路元件參數(shù):C=20μF,L=300μH,其仿真結(jié)果見圖14。6基于pscad/emtcd的雙向直流濾波器優(yōu)化在傳統(tǒng)斷路器電弧模型動(dòng)態(tài)方程的基礎(chǔ)上,通過分析其數(shù)學(xué)模型,