本發(fā)明屬于電力設(shè)備數(shù)值分析模型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種斷路器的數(shù)值建模方法。

背景技術(shù)：

目前的直流輸電電網(wǎng)切除短路故障主要采取換流站直接閉鎖或者是交流斷路器動作的辦法，因此直流輸電網(wǎng)會出現(xiàn)短時的停運狀態(tài)，供電可靠性指數(shù)下降，對于運行的交流電網(wǎng)側(cè)也會產(chǎn)生較大的沖擊。故此為了實現(xiàn)快速切斷故障點，降低故障沖擊損害，高壓直流斷路器的研制以及使用是非常有意義的。

目前直流斷路器主要有三種：

1)機械式直流斷路器。該種直流斷路器起源較早，主要有兩種大類型，分別是有源式機械直流斷路器及無源式機械直流斷路器。該類機械式直流斷路器的優(yōu)點是運行狀態(tài)穩(wěn)定、負(fù)載能力強、支路損耗較低，主要適用于電壓運行等級較高的場合，然而機械直流斷路器斷口裝置較為復(fù)雜、觸頭容易損壞，而且動作時間較長，目前仍是直流斷路器研究的主流。

2)全固態(tài)式直流斷路器。該類型直流斷路器主要特點為采用全電力電子器件方式運行，相比較上述機械式直流斷路器而言具有動作迅速(μs級)、無電弧開斷、無觸頭等的優(yōu)點，目前主要用于直流配電網(wǎng)中。然而相比較機械式直流斷路器而言成本高，導(dǎo)通損耗也較高，而且復(fù)雜的水冷系統(tǒng)控制制約了其向著高壓工業(yè)化的發(fā)展。

3)混合式直流斷路器?；谇笆鰴C械式直流斷路器及全固態(tài)式直流斷路器的特點，產(chǎn)生了混合式直流斷路器，兼具有前述兩種直流斷路器的優(yōu)點，開關(guān)損耗有所降低、動作速度快(5ms以內(nèi))、動作可靠性高而且壽命較長，是目前高壓式直流斷路器研究的主要方向。

目前對于混合式直流斷路器己經(jīng)開展了眾多研究,其中主要代表為abb自然換流型直流斷路器模型。高壓直流輸電系統(tǒng)中的混合式直流斷路器主要依靠機械開關(guān)分?jǐn)喈a(chǎn)生的電弧來為固態(tài)開關(guān)支路的igbt(insulatedgatebipolartransistor)絕緣柵雙極晶體管器件提供正向?qū)妷?，進(jìn)而當(dāng)短路故障發(fā)生后，檢測信號電路驅(qū)動機械開關(guān)拉弧，驅(qū)動信號電路發(fā)送igbt導(dǎo)通信號，電弧電壓大于一定值時機械支路電流轉(zhuǎn)移至固態(tài)開關(guān)支路。由于混合式直流斷路器的固態(tài)開關(guān)支路由電力電子器件構(gòu)成，為保護(hù)相對脆弱的絕緣，研究緩沖吸收支路rc的取值以及支路雜散電感參數(shù)對于過電壓、過電流的影響有較大的參考價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種混合型直流斷路器的數(shù)值建模方法，能夠建立混合型直流斷路器的數(shù)值模型以進(jìn)行模擬分析。

本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題：

混合型直流斷路器的數(shù)值建模方法，包括如下步驟：

1)機械開關(guān)支路建模；

2)固態(tài)開關(guān)支路建模；

3)緩沖支路建模；

4)動作時序整定；

5)緩沖支路rc及雜散參數(shù)分析。

進(jìn)一步，步驟1)中，所述機械開關(guān)支路包括串聯(lián)的斷路器和雜散電感，建立斷路器分?jǐn)鄷r電弧模型：

其中g(shù)m表示電弧電導(dǎo)；τm表示電弧時間常數(shù)，取值范圍為0.2μs～0.5μs；p0表示電弧散熱功率，p0取值范圍為20kw～40kw；uarc與iarc分別表示電弧電壓、電弧電流。

進(jìn)一步，步驟2)中，所述固態(tài)開關(guān)支路中包括igbt固態(tài)開關(guān)，建立igbt固態(tài)開關(guān)模型，包括3個參數(shù)：導(dǎo)通壓降u0、正向?qū)ㄩ撝惦妷簎m、導(dǎo)通電阻r0，其中u0取值范圍為2v～5v，um取值范圍為5v～10v，r0取值范圍為0.001ω～0.1ω。

進(jìn)一步，步驟3)中，所述緩沖支路包括rc電路，建立rc電路模型，r取值范圍為1ω～10ω，c取值范圍為0.5μf～4μf。

進(jìn)一步，步驟4)中，整定故障發(fā)生以后直流斷路器內(nèi)部的動作時序，其中：檢測信號電路動作時間范圍為1～5μs，機械開關(guān)響應(yīng)動作時間范圍為0.8～1.2ms，igbt導(dǎo)通時間長度范圍為1.5ms～2.5ms，mov動作時間長度范圍為1ms～2ms。

進(jìn)一步，步驟5)中，調(diào)整緩沖支路的rc參數(shù)及雜散電感，分析斷路器端電壓工況，本方法中雜散電感取值范圍為20nh～20μh。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出混合型直流斷路器的數(shù)值建模方法，能夠建立混合型直流斷路器的數(shù)值模型，可用于指導(dǎo)高壓直流混合斷路器的電磁暫態(tài)分析，以及基于雜散參數(shù)對于斷路器動作特性的影響指導(dǎo)rc緩沖支路參數(shù)選型。基于動作特性分析不同支路雜散參數(shù)對于斷路器操作過程的影響，與現(xiàn)有斷路器動作特性分析相比，能夠獲得更全面的斷路器操作時序及電流轉(zhuǎn)移過程影響因素。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和裝置結(jié)構(gòu)更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中：

圖1為混合型直流斷路器模型示意圖；

圖2為混合型直流斷路器動作時序分析圖；

圖3為混合型直流斷路器的數(shù)值建模方法流程示意圖；

圖4、5為實施例1的仿真結(jié)果示意圖；

圖6、7為實施例2的仿真結(jié)果示意圖；

圖8、9為實施例3的仿真結(jié)果示意圖；

圖10、11為實施例4的仿真結(jié)果示意圖.

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

參見圖1，混合型直流斷路器模型包括相互并聯(lián)的機械開關(guān)支路、緩沖支路、固態(tài)開關(guān)支路(圖1中從上到下)，還包括有檢測信號電路和驅(qū)動信號電路。

所述機械開關(guān)支路包括串聯(lián)的機械斷路器和雜散電感，緩沖支路包括mov金屬氧化物變阻器以及與mov并聯(lián)的rc電路(拓?fù)鋱D中一般不示出rc電路)，固態(tài)開關(guān)支路包括多個串聯(lián)的igbt。

參見圖2，混合型直流斷路器動作時序，包括:

0-t1，線路正常運行；

t1-t2，短路故障發(fā)生后，檢測信號電路動作，驅(qū)動信號電路動作驅(qū)動igbt導(dǎo)通，機械開關(guān)拉弧至兩端電壓大于igbt導(dǎo)通電壓后，igbt導(dǎo)通，開始電流轉(zhuǎn)移過程。

t2-t3，igbt及機械開關(guān)完全關(guān)斷后，mov開始動作，rc緩沖吸收支路動作限制斷路器兩端過電壓及過電流。

參見圖3，本實施例的混合型直流斷路器的數(shù)值建模方法，包括如下步驟：

1)機械開關(guān)支路建模；對于機械斷路器動作過程有影響的主要為開關(guān)觸頭之間的電弧燃弧過程，然而電弧模型多種多樣，因此需對機械開關(guān)支路進(jìn)行電氣量等效簡化建模：

其中g(shù)m表示電弧電導(dǎo)；τm表示電弧時間常數(shù)，取值范圍為0.2μs～0.5μs；p0表示電弧散熱功率，p0取值范圍為20kw～40kw；uarc與iarc分別表示電弧電壓、電弧電流。

2)固態(tài)開關(guān)支路建模；單個igbt數(shù)值模型的建立主要包括3個參數(shù)的選擇：導(dǎo)通壓降u0、正向?qū)ㄩ撝惦妷簎m、導(dǎo)通電阻r0，其中u0取值范圍為2v～5v，um取值范圍為5v～10v，r0取值范圍為0.001ω～0.1ω。

3)緩沖支路建模；由于igbt等電力電子器件動作較為迅速(<1μs)，mov需承受陡波較大的沖擊電流，并且mov的雜散參數(shù)以及趨膚效應(yīng)共同作用下，殘壓在初始時期會產(chǎn)生很高的過電壓尖峰。傳統(tǒng)應(yīng)用避雷器場合，過電壓尖峰并不會造成嚴(yán)重后果，然而igbt電力電子器件相對絕緣脆弱，因此需采用并聯(lián)rc緩沖支路來抑制mov上電流的上升速度，進(jìn)而降低斷路器兩端過電壓峰值。本步驟中建立rc電路模型，r取值范圍為1ω～10ω，c取值范圍為0.5μf～4μf。

4)動作時序整定；整定故障發(fā)生以后直流斷路器內(nèi)部的動作時序，其中：檢測信號電路動作時間范圍為1～5μs，機械開關(guān)響應(yīng)動作時間范圍為0.8～1.2ms，igbt導(dǎo)通時間長度范圍為1.5ms～2.5ms，mov動作時間長度范圍為1ms～2ms。

5)緩沖支路rc及雜散參數(shù)分析；緩沖吸收支路動作過程的主要影響因素是雜散電感參數(shù)，調(diào)整緩沖支路的rc參數(shù)及雜散電感，分析斷路器端電壓工況，本方法中雜散電感取值范圍為20nh～20μh。

下列實施例通過上述方法建立模型進(jìn)行仿真。

實施例1

雙端500kv柔性直流輸電系統(tǒng)中，斷路器緩沖支路雜散電感l(wèi)＝20nh，緩沖吸收支路r＝10ω，c＝4μf，pscad仿真結(jié)果見下圖4、5所示。圖4所示為斷路器各支路電流圖，圖5為斷路器端電壓圖。圖中可看出，0.8s時刻系統(tǒng)短路故障發(fā)生后，機械開關(guān)動作產(chǎn)生電弧，igbt導(dǎo)通，0.804s時刻，機械開關(guān)支路電流i1完全轉(zhuǎn)移至固態(tài)開關(guān)支路，關(guān)斷機械開關(guān)及igbt，因此斷路器可在5ms內(nèi)快速開斷故障電流，限制故障電流峰值，保障系統(tǒng)設(shè)備絕緣不被過電壓及過電流損毀

實施例2

雙端500kv柔性直流輸電系統(tǒng)中，斷路器雜散電感l(wèi)＝20μh，緩沖吸收支路r＝10ω，對比c＝0.4μf及c＝4μf，pscad仿真結(jié)果見下圖6、7所示。圖6所示為斷路器緩沖支路電流圖，圖7為斷路器端電壓圖。圖中可看出，隨著緩沖支路電容值的增大，緩沖支路電流峰值隨之下降。此外，斷路器端電壓隨著緩沖支路電容值的增大而有所下降并且斷路器端電壓動態(tài)過程隨之減慢。

實施例3

雙端500kv柔性直流輸電系統(tǒng)中，緩沖吸收支路r＝10ω，c＝4μf，對比斷路器雜散電感l(wèi)＝20μh及l(fā)＝20nh，pscad仿真結(jié)果見下圖8、9所示。圖8所示為斷路器緩沖支路電流圖，圖9為斷路器端電壓圖。圖中可看出，隨著緩沖支路雜散電感值的增大，緩沖支路電流峰值隨之上升。此外，斷路器端電壓隨著緩沖支路雜散電感值的增大而有所上升并且斷路器端電壓動態(tài)過程隨之加快。

實施例4

雙端500kv柔性直流輸電系統(tǒng)中，斷路器雜散電感l(wèi)＝20μh，緩沖吸收支路c＝4μf，對比r＝1ω及r＝10ω，pscad仿真結(jié)果見下圖10、11所示。圖10所示為斷路器緩沖支路電流圖，圖11為斷路器端電壓圖。圖中可看出，隨著緩沖支路電阻值的增大，緩沖支路電流峰值隨之下降。此外，斷路器端電壓隨著緩沖支路電阻值的增大而有所下降并且斷路器端電壓動態(tài)過程隨之減慢。

最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。