直流開斷基礎(chǔ)及技術(shù)應用

目錄
前言
第1章 直流電力系統(tǒng)與電力開關(guān)設(shè)備 1
1.1 直流電力系統(tǒng)的發(fā)展 1
1.2 直流系統(tǒng)應用典型場合 4
1.2.1 高壓直流輸電系統(tǒng) 4
1.2.2 城市直流配網(wǎng) 9
1.2.3 地鐵直流配電系統(tǒng) 10
1.2.4 飛機直流供電系統(tǒng) 10
1.3 直流電力開關(guān)設(shè)備的作用與發(fā)展 11
1.3.1 直流電力開關(guān)電器的作用 11
1.3.2 直流電力開關(guān)電器的發(fā)展 12
參考文獻 14
第2章 直流開斷基本原理和方案 17
2.1 直流開斷過程的數(shù)學描述 17
2.1.1 直流開斷基本方程與條件 17
2.1.2 直流開斷波形示意 18
2.2 直流開斷性能描述的主要參數(shù) 20
2.3 機械滅弧式直流開斷方案 24
2.4 多支路換流型直流開斷方案 27
2.4.1 自激振蕩式開斷方案 27
2.4.2 電流注入式開斷方案 29
2.4.3 混合式開斷方案 30
2.5 直流電弧特性和熄滅原理 31
2.5.1 開斷過程的電弧現(xiàn)象 31
2.5.2 直流電弧的伏安特性 32
2.5.3 直流電弧的熄滅原理 35
參考文獻 36
第3章 放電等離子體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及直流電弧仿真 38
3.1 放電等離子體基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 38
3.1.1 電弧等離子體物性參數(shù)計算 38
3.1.2 電弧等離子體輻射輸運系數(shù)計算 46
3.1.3 等離子體化學反應速率常數(shù)計算 48
3.2 直流電弧仿真 49
3.2.1 電弧燃燒過程 50
3.2.2 電弧熄滅過程 52
3.2.3 電壓耐受過程 56
3.3 電弧物性參數(shù)對電弧行為的潛在影響 59
3.3.1 開斷介質(zhì)對電弧半徑的影響 59
3.3.2 材料燒蝕對電弧特性的影響 60
參考文獻 62
第4章 機械滅弧式直流開斷1：直流接觸器 65
4.1 直流接觸器的工作原理和結(jié)構(gòu) 65
4.1.1 基本結(jié)構(gòu) 65
4.1.2 基本工作原理 66
4.2 直流接觸器電磁機構(gòu)特性分析 68
4.2.1 靜態(tài)特性分析 68
4.2.2 動態(tài)特性分析 70
4.3 直流接觸器的滅弧原理和方法 72
4.4 氣體介質(zhì)中直流電弧的燃弧特性 73
4.4.1 不同氣體介質(zhì)中的穩(wěn)態(tài)燃弧特性 74
4.4.2 磁吹作用下不同氣體中直流電弧的燃弧特性 75
4.4.3 吹弧磁場強度對燃弧特性的影響 76
4.4.4 氣體介質(zhì)壓強對燃弧特性的影響 78
4.5 滅弧室大小對直流接觸器開斷特性的影響 80
參考文獻 82
第5章 機械滅弧式直流開斷2：直流斷路器 84
5.1 機械滅弧式直流斷路器基本結(jié)構(gòu) 84
5.2 機械滅弧式直流斷路器滅弧室 85
5.2.1 柵片式空氣滅弧室的基本原理 85
5.2.2 柵片式空氣滅弧室內(nèi)電弧運動過程 86
5.2.3 直流開斷的背后擊穿現(xiàn)象 87
5.2.4 臨界電流開斷 88
5.3 機械滅弧式直流斷路器操作結(jié)構(gòu) 90
5.3.1 合閘機構(gòu) 90
5.3.2 脫扣機構(gòu) 92
5.4 機械滅弧式直流斷路器開斷特性的影響因素 94
5.4.1 觸頭打開速度的影響 94
5.4.2 柵片結(jié)構(gòu)的影響 96
5.4.3 滅弧室尺寸的影響 97
5.4.4 跑弧道結(jié)構(gòu)的影響 98
5.5 機械滅弧式直流開斷典型開斷波形 101
參考文獻 102
第6章 自激振蕩式直流開斷技術(shù) 105
6.1 自激振蕩式直流開關(guān)的基本原理 106
6.1.1 自激振蕩式直流開關(guān)的基本組成 106
6.1.2 自激振蕩式直流開關(guān)的工作原理 106
6.2 自激振蕩式直流開關(guān)數(shù)學模型 107
6.2.1 基于Mayr模型的自激振蕩式直流開關(guān)模型 109
6.2.2 基于電弧磁流體動力學的自激振蕩式直流開關(guān)模型 115
6.3 自激振蕩式直流開關(guān)開斷過程影響因素 117
6.3.1 轉(zhuǎn)移支路電感參數(shù)對電流振蕩過程的影響 117
6.3.2 轉(zhuǎn)移支路電容參數(shù)對電流振蕩過程的影響 121
6.3.3 斷路器分閘速度對電流振蕩過程的影響 123
6.4 自激振蕩式直流開斷技術(shù)的應用概述 124
6.4.1 已有典型產(chǎn)品情況 124
6.4.2 已有的應用情況 127
參考文獻 127
第7章 電力電子技術(shù)在直流開斷中的應用 130
7.1 直流開斷中常用電力電子器件 130
7.1.1 二極管 130
7.1.2 晶閘管 131
7.1.3 門極關(guān)斷晶閘管 131
7.1.4 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 132
7.1.5 集成門極換流晶體管(IGCT) 133
7.1.6 發(fā)射極關(guān)斷晶閘管(ETO) 134
7.2 電力電子組件結(jié)構(gòu)及吸收電路連接方式 135
7.2.1 電力電子組件結(jié)構(gòu) 135
7.2.2 電力電子緩沖保護 135
7.3 直流開斷工況下電力電子器件模型分析 138
7.3.1 器件建模方法 138
7.3.2 適用于直流開斷應用的電力電子器件模型 138
7.4 直流開斷工況下電力電子盡限應用 146
7.4.1 基于電熱應力疲勞失效分析的盡限應用 146
7.4.2 基于電路結(jié)構(gòu)改進的盡限應用 151
7.5 電力電子器件關(guān)斷能力提升研究 157
7.5.1 基于IGCT預關(guān)斷激勵振蕩的關(guān)斷能力提升方案 157
7.5.2 基于集成發(fā)射極關(guān)斷晶閘管(IETO)的關(guān)斷能力提升方案 164
參考文獻 167
第8章 電流注入式直流開斷技術(shù) 171
8.1 電流注入式直流開斷的基本原理 171
8.1.1 電流注入式直流斷路器的組成 171
8.1.2 電流注入式直流斷路器的操作原理 172
8.2 基于預充電電容轉(zhuǎn)移的電流注入式直流斷路器 172
8.2.1 基于預充電電容轉(zhuǎn)移的電流注入式開斷原理 173
8.2.2 拓撲結(jié)構(gòu)開斷特性仿真計算 174
8.2.3 拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 176
8.3 基于磁耦合轉(zhuǎn)移的電流注入式直流斷路器 185
8.3.1 基于磁耦合轉(zhuǎn)移的電流注入式開斷原理 185
8.3.2 磁耦合轉(zhuǎn)移模塊建模及仿真分析 191
8.3.3 開斷特性分析 200
8.3.4 拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 200
8.4 電流注入式直流開斷技術(shù)的應用 202
參考文獻 203
第9章 混合式直流開斷技術(shù) 205
9.1 混合式直流開斷的基本原理 205
9.2 基于電力電子關(guān)斷轉(zhuǎn)移的混合式直流斷路器 206
9.2.1 基于電力電子關(guān)斷轉(zhuǎn)移的混合式開斷原理 207
9.2.2 半導體組件結(jié)構(gòu)設(shè)計 208
9.2.3 基于電力電子關(guān)斷轉(zhuǎn)移的混合式直流斷路器開斷特性仿真 209
9.2.4 半導體組件熱累積效應分析 212
9.3 基于磁耦合轉(zhuǎn)移的混合式直流斷路器 214
9.3.1 基于磁耦合轉(zhuǎn)移的混合式開斷原理 214
9.3.2 磁耦合轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵影響因素分析及優(yōu)化設(shè)計 217
9.3.3 基于磁耦合轉(zhuǎn)移的混合式直流斷路器開斷特性仿真計算 223
9.4 基于弧壓增強轉(zhuǎn)移的混合式直流斷路器 225
9.4.1 基于弧壓增強轉(zhuǎn)移的混合式開斷原理 225
9.4.2 斷口電弧電壓提升方法 229
9.4.3 電流轉(zhuǎn)移特性分析 231
9.5 混合式直流開斷技術(shù)的應用 234
9.5.1 混合式直流斷路器在高壓領(lǐng)域的應用 235
9.5.2 混合式直流斷路器在中壓領(lǐng)域的應用 236
參考文獻 237
第10章 阻尼式直流開斷技術(shù) 240
10.1 阻尼式直流開斷的基本原理 240
10.1.1 阻尼式直流斷路器的基本組成 240
10.1.2 阻尼式直流斷路器的工作原理 242
10.2 阻尼式直流開斷的基本過程分析 248
10.2.1 電流轉(zhuǎn)移與過零分析 249
10.2.2 反向電壓建立與耐受分析 250
10.2.3 電能耗散特性分析 251
10.3 阻尼式直流斷路器開斷特性 253
10.3.1 額定電流開斷 253
10.3.2 短路電流開斷 254
10.3.3 不同電壓等級適應性分析 254
參考文獻 256
第11章 直流高速機械開關(guān) 258
11.1 直流高速機械開關(guān)需求現(xiàn)狀 258
11.1.1 高速機械開關(guān)的需求 258
11.1.2 高速機械開關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀 259
11.1.3 高速機械開關(guān)難點分析 261
11.2 直流高速機械開關(guān)原理與結(jié)構(gòu) 262
11.2.1 電磁斥力機構(gòu)原理 262
11.2.2 高速機械開關(guān)組成結(jié)構(gòu) 263
11.3 直流高速機械開關(guān)仿真方法 266
11.3.1 開關(guān)運動特性仿真方法 266
11.3.2 開關(guān)應力特性仿真方法 269
11.4 直流高速機械開關(guān)機構(gòu)設(shè)計 273
11.4.1 快速分閘設(shè)計 273
11.4.2 合閘保持設(shè)計 283
11.4.3 緩沖特性設(shè)計 284
11.4.4 絕緣拉桿設(shè)計 294
11.5 直流高速機械開關(guān)測試方法 298
11.5.1 斷口擊穿特性測試 298
11.5.2 機構(gòu)分閘性能測試 302
參考文獻 304
第12章 直流系統(tǒng)短路電流限制技術(shù) 306
12.1 直流限流技術(shù)需求現(xiàn)狀 306
12.1.1 需求背景 306
12.1.2 發(fā)展現(xiàn)狀 308
12.2 直流超導限流技術(shù) 310
12.2.1 電阻型超導限流器 310
12.2.2 飽和型超導限流器 312
12.2.3 混合型超導限流器 313
12.3 電力電子式限流技術(shù) 314
12.3.1 固態(tài)式限流器 314
12.3.2 混合式限流器 315
12.4 液態(tài)金屬型限流技術(shù) 317
12.5 混合型限流熔斷器技術(shù) 319
12.6 PTC限流器技術(shù) 320
參考文獻 321
第13章 直流短路電流快速識別技術(shù) 324
13.1 直流短路識別需求現(xiàn)狀 324
13.1.1 直流短路識別技術(shù)需求 324
13.1.2 直流短路識別技術(shù)現(xiàn)狀 325
13.2 直流短路電流快速識別方法 326
13.2.1 電子式識別 327
13.2.2 電磁式識別 330
13.3 直流電流傳感裝置 331
13.3.1 直流電流傳感裝置的技術(shù)分類 331
13.3.2 光纖電流傳感器技術(shù) 333
13.4 短路電流識別裝置功能模塊 337
13.4.1 高速數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計 337
13.4.2 FIR數(shù)字濾波程序模塊設(shè)計 338
13.4.3 DDL保護算法模塊設(shè)計 339
13.4.4 短路電流識別裝置設(shè)計要求 339
參考文獻 342