2025年第三届中国电气工程大会：新型电力系统背景下的电力开关技术与装备

2025年第三届中国电气工程大会技术与装备汇报人：温伟杰(李斌团队)2025年11月23日i如何为新型电力系统多种应用场景提供可靠的电力开关装备是重大需求!5研究背景快速操动快速操动核心驱动技术突破功能集成核心驱动技术突破功能集成多功能集成设计多功能集成设计电流转移控制■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，毫秒级响应要求机械力在±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!电磁场机械电磁场机械运动温度■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温伟杰，李斌，李博通，等.基于双向电磁斥力机构的高压快速开关缓冲特性研究[J].电工技术学报，2019,34(07):1449-1458.温伟杰李斌，李博通，等.电磁斥力机构的参数匹配与优化设计[J].电工技术学报，2018,33(17):4102-4112.8研究进展1:快速真空开关无缓冲，分闸失败(3)驱动电流(3)驱动电流间间操动特性40.5kV快速真空开关原型样机电磁缓冲下的软着陆2553-2560,Dec.2015.实验结果分用用电容番组合阳用电容添实验结果分用用电容番组合阳用电容添电磁驱动/缓冲一体化设计电磁保持1.5kV开关原型样机vol.39,no.8,pp.9518-9525,Aug.2024,doi:10.1109/TPEL.2024.3396211.10■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current轨道交通断路器轨道交通断路器IFm2调节块弹簧电磁脱扣器原理电磁脱扣器原理WeijieWen(通讯),"UltrafastHybridElectromagneticActuatorforAirCircuitBreakerinDCTractionSystem,"inIEEETransactionsonPowerElectronics,vol.40,no.3,pp.4546-4556,March2025.研究进展3:高速灵敏电磁脱扣器busbarbusbarWeijieWen,J.Fan,B.Li,Q.Sun,J.SongandM.Popov,"NovelOver-CurrentTrippingDeviceWitCouplingforAirCircuitBreakersinDCTractionSystem,”inIEEETransact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激励源直流断路器示意图电容容量与频率满足1/直流断路器示意图电容容量与频率满足1/x²的关系■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!电流/kA电流/kA激励源作用下的增幅振荡激励源在主支路激励源作用下的增幅振荡激励源在主支路X.HuangWeijieWen,etal.,"Low-costMulti-PortDCTransPowerElectronics,doi:10.1109/TPEL.2025.3615977.■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■特高压直流组网，直流断路器额定电流6.25k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/μsA(7140,158A)A(7140,158A)branchjW.Wen,H.Jin,B.Li,P.Li,H.LiuandB.Li,"BreakingCurrentBalanceEnhancemTransactionsonPowerElectronics,vol.38,no.12,pp.15433-15441,Dec.2023,doi:10.1109/TPEL.2023.3315270.W.Wen,H.Jin,B.Li,P.Li,H.LiuandB.Li,"BreakingCurreTransactionsonPowerElectronics,vol.38,no.12,pp.15433-15441,Dec.2023,doi:10.1109/TPEL,2023.3315270.n+fxi09n+fxi094分布式缓冲针对器件并联场景，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%TransactionsonPowerElectronics,vol.38,no.12,pp.15433-15441,Dec.2023,doi:10.1109/TPEL.2023.3315270.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w.Wen,H.Jin,B.Li,P.Li,H.LiuandB.Li,"BreakingCurrentBalanceEnhancementforParallelIGBT正反向嵌套磁环均流效果达96%等效缩比设计及实验平台W.Wen,H.Jin,B.Li,PLi,H.LiuandB.Li,"BreakingCurrentBalanceEnhancementforParallelTransactionsonPowerElectronics,vol.38,no.12,pp.15433-15441,Dec.2023,doi:10.1109/TPEL2023.3315270.20王板王板NB0S28场景1,金上-湖北直流，开关站没有位置直流转换开关现有直流转换开关站(载荷高、占地大)复杂地形环境亟需开关站集约化设计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5×108μF降低至10μF,下降95%以上，实现振荡平台小型化设计!电压/V电压/V电流转移分布过程切换过程能量分布图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避雷器参数的影响HBSM直流卸荷器的结构示意直流卸荷器的闭环控制直流卸荷器的配置直流卸荷器的结构示意直流卸荷器的闭环控制直流卸荷器的配置inIEEETransactionsonPowerElectronies,doi:10.1109/TPEL.2025.36277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；%%c。ACxcoryICBTinpartiaSSsuruedoffACxcoryICBTinpartiaSSsuruedoffZ.Zhang,WWen,B.LiandB.Li,"DCChopperFunctionExtensionofHCBsinDRU-MMCinIEEETransactionsonPowerElectronics,doi:10.11inIEEETransactionsonPowerElectronics,doi:10.1109/TPEL.2025.36277400400对比