基于智能模块技术的高压直流短路开断相关理论研究

As an important part of smart grid，high voltage direct current (HVDC) transmission is widely used in long distance and large capacity power transmission, wind power and photovoltaic power grid, as the advantages of it can not be replaced. But so far, the core component of HVDC circuit breaker, that is used to control and protect the system, still belongs to the technical bottleneck. Absence of protection circuit breaker, the HVDC transmission is only point-to-point, for it is difficult to solve large-scale interconnected network, HVDC short-circuit breaking problem of great significance for the smart grid. The proposed project analyses and chooses the overall scheme of HVDC short-circuit breaking and switch medium first, proposes the current transfer breaking technique based on rapid mechanism and linkage closing, focus on the key problem of basic science -- zero phenomenon of intermediate frequency vacuum arc relates to the HVDC current transfer breaking，propose the joint analysis of mechanical- electromagnetic in the breaking process. The series breaking is also proposed to solve high voltage applications based on the DC intelligent module technology, related researches are synchronization and redundant of the module, and dynamic dielectric recovery of series modules. HVDC short-circuit breaking theory is based on arc energy transfer and electromagnetic coupling problem under extreme conditions, relates to plasma physics, electromagnetic, magnetic fluid mechanics, dynamics and other disciplines. Through the study of basic scientific problems of key technology, we can solve the bottleneck and remove the obstacles.

作为智能电网的重要组成部分，高压直流输电以交流系统不可替代的优点，在远距离大容量输电、风电与光伏发电集电网等方面得到广泛应用。但到目前为止，担负着控制和保护双重任务的核心组件--高压直流断路器仍属于技术瓶颈。保护断路器的缺失，使高压直流只能点对点输电，难以大规模互联组网，解决高压直流短路开断问题对智能电网来说意义重大。本项目首先分析与选择高压直流短路开断的整体方案及开关介质，提出基于快速机构与联动关合的换流开断技术，重点研究换流开断涉及的中频真空电弧的关键基础科学问题--零区现象，并对开断过程进行机电磁联合分析。提出基于直流智能模块技术串联开断高压直流系统，研究串联后的模块同步与冗余，以及串联模块的动态介质恢复。高压直流短路开断的理论基础是极端条件下的电弧能量转移与电磁热机耦合问题，涉及等离子体物理、电磁场、磁流体力学、机构动力学等学科，通过关键基础科学问题的研究，为解决技术瓶颈扫除障碍。

高压直流短路开断的相关理论与应用研究对智能电网的安全、可靠与稳定运行意义重大。本项目首先论证了换流开断高压直流故障的整体方案及开关介质的选择，重点研究了换流开断涉及的中频真空电弧的关键科学问题，并对开断过程进行了机电磁联合分析。针对高压直流系统提出主回路可靠与快速开断的技术需求，研究了换流回路联动关合的真空开关模块拓扑方案、基于智能模块串联高压直流故障开断机理、多模块串联高压化同步机理与冗余设计方法，以及串联模块动态介质恢复机理。 . 理论研究方面，首先给出换流参数的选择，提出以开断性能、换流回路成本和鞘层发展时间最短为优化目标优化换流参数设计方法，并给出换流频率的推荐值。建立零区电路宏观模型和电弧等离子体连续过渡模型，研究了换流回路参数与电弧特性参数的时空影响机理，以描述和控制电弧的零区动力学演化行为。根据零区参数分析，研究各支路中的电流动态变化及其对弧后介质恢复的影响机理，确定安全开距和最佳开断时刻。通过高压直流开断的电磁场分析，给出高压直流串联开断的同步参数与TRV描述。. 应用研究方面，为实现直流开断真空灭弧室专用设计，分析了开关触头结构及其电磁场时空综合效应，研究了横磁和纵磁对电弧特性的影响机理，提出嵌合型复合磁场触头结构。研制了15kV/10kA直流真空断路器模块，同一机构操动三个真空灭弧室，联合执行主回路开断、换流回路投入与充电隔离的功能。设计了基于直流智能模块串联技术的110kV高压直流断路器实施方案，并研制出用于该断路器的基础开断模块，模块可实现在4ms内开断60kV/16kA故障电流的能力。提出并实施了直流开断合成试验回路方案，研究其等价机理，试验参数达到60kV/20kA，可作为110kV以上高压直流断路器的基础模块试验条件。