面向柔性直流系统的机械式直流断路器关键基础问题研究

Flexible interconnection of large power grids based on flexible DC transmission technology has been the main direction of the development of new generation of power system in China. Compare with AC, it’s more difficult for DC current interruption due to without natural current zero. The DC Circuit breakers which could isolate the fault quickly become the key technology for development of DC grid and ensuring its’ operation safe and stable. Although some DC circuit breakers for flexible DC power system have been developed around the world, but the fundamental research of DC circuit breaker is still deficient. The developments of DC circuit breaker are lack of fundamental supports. This project will focus on the key fundamental issues of mechanical DC circuit breaker which has high economical and technical performance. The research will start with the requirements of DC interruption capability of flexible DC power system on DC circuit breaker. Based on those requirements, main investigation will be carried out on the fast transient characteristics of DC switching arc and post arc dielectric recovery characteristics of interrupters which determinate the interruption capability of circuit breaker. Then, the optimization design method of DC circuit breaker will be studied. Furthermore, concerning the practical application, the equivalent test method of mechanical DC circuit breaker will be studied same time. The researches of this project will not only enhance the theoretical fundament of mechanical DC circuit breakers, but also could help the improvement of interruption capability of DC circuit breakers.

基于柔性直流输电技术的大电网柔性互联是我国新一代电力系统发展的重要方向。与交流相比，直流电流由于缺乏自然过零点而难以开断，能够快速隔离短路故障的直流断路器成为构建直流电网并保证其安全、稳定运行的关键。虽然国内外已经开展了一些面向柔性直流系统的直流断路器的研制工作，但是在直流断路器的基础研究方面还非常不足，还不能有效地指导直流断路器的优化设计。本项目针对技术经济性较强的机械式直流断路器关键基础问题开展系统和深入的研究，主要研究内容为：首先研究柔性直流系统对直流断路器开断性能的要求，在此基础上着重研究对开断性能有决定性影响的电弧快速瞬变特性和介质恢复特性，并进一步研究机械式直流断路器开断性能和优化设计方法，同时面向实际应用需求，研究机械式直流断路器的等效试验方法。本项目研究不仅可以夯实机械式直流断路器的理论基础，对于机械式直流断路器面向工程化应用的优化设计和性能提升也具有非常重要的指导意义。

机械式直流断路器具有通态损耗小，成本低的优点，国内外开展了面向柔性直流系统的直流断路器开发和研制工作，然而目前对于机械式直流断路器开断过程中特有快速瞬变等关键基础问题认识仍然有限，制约了其技术发展和产品的性能提升。本项目对机械式直流断路器的关键基础问题开展研究：掌握了模块化多电平直流系统的控制策略及运行特性及复杂工况下直流断路器重要开断特性，提出了模块化多电平系统、高压回路充电系统优化设计方法；结合实验与仿真研究，揭示了快速瞬变电弧的演化规律，明晰了开距、起弧位置、换流频率、触头结构等重要参数对于真空电弧起弧及演化过程的影响规律，以及弧后介质恢复的基本过程；阐明了di/dt、du/dt及多断口串联等因素对于机械式直流断路器开断性能的影响规律，提出了提出弧后重燃或重击穿的物理机制及高速真空开关的优化设计方法。最后，结合流断路器不同工况下的电气应力特性，提出了一种两电平电压源合成试验回路方案及参数设计方法。.发表SCI论文21篇，获得授权发明专利3项，参与制定标准2项，获CHATTERTON杰出青年奖和HVDC2020最佳口头报告奖各1项，部分成果获中国电源学会科学技术奖、陕西省自然科技奖、中国南方电网公司科技进步奖各1项，培养研究生12名，项目负责人主持首个国际直流断路器标准 IEC 62271-313 DC circuit-breakers的制定工作。通过研究，更全面系统掌握了机械式直流断路器的关键基础问题，为机械式直流断路器的优化设计提供重要支撑。