CN108919109B

CN108919109B - 一种多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法

Info

Publication number: CN108919109B
Application number: CN201810751293.5A
Authority: CN
Inventors: 黄道春; 杨秋玉; 阮江军; 邱志斌; 王学宗; 李冠南
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2021-05-18
Anticipated expiration: 2038-07-10
Also published as: CN108919109A

Abstract

本发明涉及一种多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法，用于解决直流快速机械开关多断口串联动态均压问题。包括以下步骤：(1)确定各断口动触头动作的最大行程差；(2)建立开关等效阻容网络；(3)计算各断口均压阻容参数；(4)均压试验；(5)分压比测试；(6)确定最佳均压阻容参数。本发明提供的多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法，能够等效替代实际真型试验时采用快速操动机构调试不同期性困难等问题，降低试验成本、提高试验效率。

Description

一种多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法

技术领域

本发明属于高压直流输电领域，具体涉及一种多断口高压直流快速机械开关的均压模拟试验方法。

背景技术

由于柔性直流中电力电子设备的过流、过压能力较弱；同时，直流侧的低阻抗特性使短路故障电流上升率较大，柔性直流对保护的速动性和选择性要求相比普通交流更高。利用换流器交流侧的交流断路器切除故障电流，但是故障清除时间较长；或者通过本身具有电流切除能力的换流器闭锁来切除短路电流，其结果是任何一条直流线路上发生短路故障，都会导致系统的所有换流器闭锁，系统停运。但是，如果线路两端装有高压直流断路器，当线路发生短路故障时，高压直流断路器能够直接切除并隔离故障点，那么除发生故障的线路外，其余部分还能继续正常运行。因此，高压直流断路器是实现柔性直流故障隔离和清除、保证系统安全高效运行必不可少的装备。

混合式高压直流断路器主要由三部分组成：快速机械开关支路、半导体主开断支路和避雷器组，快速机械开关是混合式高压直流断路器的关键部件，快速机械开关由隔离断口及操动机构组成。快速机械开关耐压越高，要求隔离断口开距越大，然而，过大的开距会增加机械开关的分闸时间，从而使混合式高压直流断路器开断电流的时间增加。因此，快速机械开关采用多个开距较小的断口串联的形式，从而减小机械开关的分合闸时间，保证电网对直流断路器的速动性要求。

然而，采用多个断口串联的高压直流快速机械开关各断口的电压分配极不均匀。承受较高电压的断口在开断过程中将被击穿，导致开断失败。因此，必须对多断口高压直流快速机械开关进行均压(包括静态均压与动态均压，动态均压是指开关在动作过程中的均压)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法，用于解决多断口高压直流快速机械开关断口间电压分配不均匀问题。

为解决此技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法，它包括以下步骤：

一种多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据多断口高压直流快速机械开关操作不同期时间、分断时间、额定开距，确定各断口动触头动作过程中的最大行程差值，具体是根据断口额定开距、分断时间，计算动触头在最大操作不同期时间内运动的距离，该距离即为各断口动触头动作过程中的最大行程差值。

步骤2、计算各断口动触头在安全距离与额定开距之间的不同位置时各断口的分压比及分布电容参数，建立多断口高压直流快速机械开关等效阻容网络，具体是：

步骤2.1、基于Solidworks建立开关三维模型；

步骤2.2、导入ANSYS软件进行网格剖分、定义边界条件、加载载荷设置；

步骤2.3、ANSYS仿真计算得到各断口分压比及分布电容参数；

步骤2.4、根据各断口分布电容参数及开关单元绝缘电阻建立PSCAD开关等效阻容网络。

步骤3、计算各断口均压阻容参数，具体是：步骤(2)建立好开关等效阻容网络后，在各断口并联均压电阻和电容(具体并联方式见实施例)，通过调节均压电阻电容的大小，使各断口电压大小一致(通过仿真结果可观察)。

步骤4、现场试验时，按步骤(2)得到的各断口分压比相差较大时的动触头位置，并依据步骤(1)得到的最大行程差值，调整各断口动触头的位置后，各断口分别并联由步骤(3)得到的均压阻容；由于各断口是一独立单元，每一断口单元单独调整。动触头与绝缘拉杆相连，通过测量绝缘拉杆移动的距离，确定调整到位。

步骤5、对断口施加若干次不同上升率、不同大小的直流电压，并以设定步长增加至额定电压值，在每一步长电压下测量各断口的分压比；

步骤6、根据试验结果，确定最佳均压阻容参数。

在上述的一种多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法，所述步骤6中，最佳均压阻容的确定方法是：使各断口均压不均匀系数K≤1.1。思路是：均压试验所采用的均压阻容是参考计算得出来均压阻容值，而计算得到的均压阻容为理想条件，实际应会有偏差，应综合考虑实际试验结果选取最佳均压阻容。但，不论如何，应使不均匀系数K越小越好。

本发明的有益效果是：1、考虑快速机械开关阻容参数、驱动分散性条件下的各断口电压分配特性进行的动态均压，均压效果好、可靠性高。2、本发明均压方法可使整机动态均压系数达到90％以上。3、本发明均压方法能够等效替代实际真型试验时采用快速操动机构调试不同期性困难等问题，大大降低试验成本。

附图说明

图1为三断口竖直布置示意图。

图2为三断口的等效电路。

图3为动态均压模拟试验装置示意图。

图4为三断口高压直流快速机械开关的等效阻容网络。

图5为并联均压阻容的动态均压模拟试验示意图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明：

一、首先介绍本发明的方法步骤

(1)根据多断口高压直流快速机械开关操作不同期时间、分断时间、额定开距等，确定各断口动触头动作过程中的最大行程差值；

(2)计算各断口动触头在安全距离与额定开距之间的不同位置时各断口的分压比及分布电容等参数，建立多断口高压直流快速机械开关等效阻容网络；

(3)计算各断口均压阻容参数；

(4)现场试验时，按步骤(2)得到的各断口分压比相差较大时的动触头位置，并参考步骤(1)得到的最大行程差值，调整各断口动触头的位置后，各断口分别并联由步骤(3)得到的均压阻容参数；

(5)对断口施加不同上升率、不同大小的直流电压，并以一定步长增加至额定电压值，在每一步长电压下测量各断口的分压比；

(6)根据试验结果，确定最佳均压阻容参数。

上述确定各断口动触头动作过程中的最大行程差值的具体方法是：根据断口额定开距、分断时间，计算动触头在最大操作不同期时间内运动的距离，此距离即为各断口动触头动作过程中的最大行程差值。

上述多断口高压直流快速机械开关等效为阻容网络。

上述各断口均压电阻与电容分别与断口并联。

二、下面是具体案例。

以三断口竖直布置为例，示意图如图1所示，断口Ⅰ由静导电端1和动导电端2组成，断口Ⅱ由静导电端3和动导电端4组成，断口Ⅲ由静导电端5和动导电端6组成。断口Ⅰ、断口Ⅱ、断口Ⅲ的动、静导电体组成一多导体系统，其等效电路如图2所示，C₁为断口Ⅰ等效电容，C₂为断口Ⅱ等效电容，C₃为断口Ⅲ等效电容，C_g1、C_g2为断口对地杂散电容，显然，当向断口施加如图所示电压时，由于断口对地杂散电容C_g1、C_g2的影响，断口Ⅰ、断口Ⅱ、断口Ⅲ所承受的电压大小不同，且断口对地杂散电容C_g1、C_g2越大，断口Ⅰ、断口Ⅱ、断口Ⅲ分压越不均匀，这将直接导致承受电压较大的断口被击穿。因此，必须采取措施，使各断口的电压均匀分配，提高多断口高压直流快速机械开关的可靠性。

在该三断口高压直流快速机械开关中，断口Ⅰ、断口Ⅱ、断口Ⅲ是完全一样的，每个断口开距为40±2mm，分闸时间≤3ms，平均分闸速度13.3m/s，分闸不同期性≤0.2ms。多断口高压直流快速机械开关在断开电流的过程中，由于各断口动作的不同期性，导致各断口动触头运动的距离不一样，从而使各断口的电容不同。由此可知，在开关动作的整个过程中，各断口的电容不同且不断发生变化，最终导致各断口的电压分配在开关动作整个过程中始终不均匀，即动态电压分配不均匀。

实际上，很难在现有的条件下对上述实际情况进行均压试验，为此，构想出一种动态均压模拟试验方法。

如图3所示，为三断口动态均压模拟试验装置示意图。螺杆8与断口动端固定，通过螺母7调节断口开距的大小。

考虑分闸不同期最严重的情况，即当分闸不同期性为2ms时，三断口动端分闸动作的最大距离差。在平均分闸速度为13.3m/s，分闸不同期性为0.2ms时，三断口动端分闸动作的平均距离差值为2.66mm。

确定了三断口动端分闸动作的最大距离差值后，利用ANSYS分析三断口动端在最大距离差值下，从触头闭合状态以步长2.66mm至额定开距为40±2mm状态下的各部分电容值。

在得到一系列不同开距下的等值电路图中的各电容值后，根据三断口高压直流快速机械开关的等效阻容网络(如图4所示)，在PSCAD中建立均压阻容计算电路，计算各断口分压比及所需均压阻容大小，使三断口的电压分配满足要求。最后，综合三断口在不同状态下所需的均压阻容值，兼顾经济性等，选取一合适的均压阻容值，作为双断口高压直流快速机械开关动态均压阻容值。

动态均压模拟试验以上述动态均压阻容值为参考，分别在断口Ⅰ、断口Ⅱ、断口Ⅲ并联均压阻容装置，具体如图5所示。图中，9、10为断口Ⅰ均压电阻，11为断口Ⅰ均压电容；12、13为断口Ⅱ均压电阻，14为断口Ⅱ均压电容；15、16为断口Ⅲ均压电阻，17为断口Ⅲ均压电容。试验时，只需保证各断口分压比较严重时的均压满足要求。调节各断口开距，对断口施加不同上升率、不同大小的直流电压，并以一定步长增加至额定电压值，进行均压验证，测量各断口两端的电压，如各断口两端的电压不符合要求(即均压系数≤1.1)，适当调整均压电阻或均压电容大小，直至满足均压要求。最后，根据试验结果，选取使电压分配不均匀系数最小的均压阻容即为最佳均压阻容。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种多断口高压直流快速机械开关动态均压模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据多断口高压直流快速机械开关操作不同期时间、分断时间和额定开距，确定各断口动触头动作过程中的最大行程差值，具体是根据断口额定开距和分断时间，计算动触头在最大操作不同期时间内运动的距离，该距离即为各断口动触头动作过程中的最大行程差值；

步骤2.1、基于Solidworks建立开关三维模型；

步骤2.2、导入ANSYS软件进行网格剖分、定义边界条件和加载载荷设置；

步骤2.3、ANSYS仿真计算得到各断口分压比及分布电容参数；

步骤2.4、根据各断口分布电容参数及开关单元绝缘电阻建立多断口高压直流快速机械开关等效阻容网络；

步骤3、计算各断口均压阻容参数，具体是：步骤2建立好多断口高压直流快速机械开关等效阻容网络后，在各断口并联均压电阻和电容，通过调节均压电阻电容的大小，使各断口电压大小趋于一致；

步骤4、现场试验时，按步骤2得到的各断口分压比相差较大时的动触头位置，并依据步骤1得到的最大行程差值，调整各断口动触头的位置后，各断口分别并联由步骤3得到的均压阻容参数；

步骤5、对断口施加若干次不同上升率和不同大小的直流电压，并以设定步长增加至额定电压值，在每一步长电压下测量各断口的分压比；

步骤6、根据试验结果，确定最佳均压阻容；

多断口高压直流快速机械开关为三断口高压直流快速机械开关，三断口竖直布置，断口Ⅰ由静导电端Ⅰ和动导电端Ⅰ组成，断口Ⅱ由静导电端Ⅱ和动导电端Ⅱ组成，断口Ⅲ由静导电端Ⅲ和动导电端Ⅲ组成；静导电端Ⅰ、动导电端Ⅰ、静导电端Ⅱ、动导电端Ⅱ、静导电端Ⅲ、动导电端Ⅲ组成一多导体系统；螺杆I与断口I的动导电端Ⅰ固定，通过螺母I调节断口I开距的大小，螺杆Ⅱ与断口Ⅱ的动导电端Ⅱ固定，通过螺母Ⅱ调节断口Ⅱ开距的大小，螺杆Ⅲ与断口Ⅲ的动导电端Ⅲ固定，通过螺母Ⅲ调节断口Ⅲ开距的大小；

在该三断口高压直流快速机械开关中，断口Ⅰ、断口Ⅱ、断口Ⅲ是完全一样的，每个断口开距为40±2mm，分闸时间≤3ms，平均分闸速度13.3m/s，分闸不同期性≤0.2ms。