Damping DC Breaking Technology Based on Magnetic Induction Current Commutation

Yifei WU; Yu XIAO; Fei YANG; Mingzhe RONG; Yi WU; Jiaming SHEN

doi:10.7500/AEPS20210508008

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Damping DC Breaking Technology Based on Magnetic Induction Current Commutation

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Damping DC Breaking Technology Based on Magnetic Induction Current Commutation
- Automation of Electric Power Systems Vol. 46, Issue 13, Pages: 168-176(2022)
- 作者机构：
  
  电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安交通大学，陕西省西安市 710049
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(U1966602);Key R&D Program of Shaanxi Province(2021GXLH-Z-062)
- DOI：10.7500/AEPS20210508008
  CLC：
- Received：08 May 2021，
  
  Revised：2021-12-06，
  
  Published Online：15 March 2022，
  
  Published：10 July 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
吴益飞,肖宇,杨飞等.基于磁耦合电流转移的阻尼式直流开断技术[J].电力系统自动化,2022,46(13):168-176.

WU Yifei,XIAO Yu,YANG Fei,et al.Damping DC Breaking Technology Based on Magnetic Induction Current Commutation[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(13):168-176.
吴益飞,肖宇,杨飞等.基于磁耦合电流转移的阻尼式直流开断技术[J].电力系统自动化,2022,46(13):168-176. DOI： 10.7500/AEPS20210508008.

WU Yifei,XIAO Yu,YANG Fei,et al.Damping DC Breaking Technology Based on Magnetic Induction Current Commutation[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(13):168-176. DOI： 10.7500/AEPS20210508008.

摘要

直流系统中短路电流上升速度快、峰值高，而未来随着系统电压等级和容量的进一步增加，短路电流开断更为困难。为了降低直流断路器开断要求，在开断过程中考虑故障电流快速抑制是至关重要的，但现有的直流开断方案很难同时兼顾限流和开断过程。文中提出了一种电流转移和阻尼一体的新型直流断路器拓扑结构，该断路器在保证大容量开断和低成本的同时，能实现故障电流的快速限制。首先，对所提出的直流断路器开断原理进行介绍。然后，针对方案中阻尼模块和磁耦合转移模块的关键影响因素展开分析，获得了阻尼模块和磁耦合模块的参数优化设计。最后，基于仿真模型对所提出的开断方案进行了仿真分析，验证了所提出的拓扑结构在不同工况和不同电压等级下的开断适应性，并通过实验验证了所提出的阻尼式直流开断方案的有效性。

Abstract

In the DC system

the short-circuit current rises quickly and the peak value is high. As the voltage level and capacity of the system increase further

the short-circuit current breaking becomes a greater challenge. To reduce the breaking requirements of DC circuit breakers (DCCBs)

it is crucial to consider fast fault current limiting in the breaking process. But it is difficult to combine both current limiting and breaking processes in existing DC breaking schemes. In this paper

a new DC circuit breaker topology with integrated current transfer and damping is proposed

which can achieve rapid fault current limiting while ensuring high breaking capacity and low cost. Firstly

the breaking principle of the proposed DCCB is introduced. Then the key influencing factors of the damping module and magnetic coupling transfer module are analyzed to obtain the optimal design of the parameters of the damping module and magnetic coupling module. Finally

based on the simulation model

the proposed breaking scheme is simulated and the breaking adaptability of the proposed topology under different operation conditions and on different voltage levels is verified. The effectiveness of the proposed damping DC breaking scheme is verified through experiments.

关键词

Keywords

references

汤广福，罗湘，魏晓光 . 多端直流输电与直流电网技术［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 10 ）： 8 - 17 .

TANG Guangfu ， LUO Xiang ， WEI Xiaoguang . Multi-terminal HVDC and DC-grid technology ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 10 ）： 8 - 17 .

何俊佳 . 高压直流断路器关键技术研究［J］. 高电压技术， 2019 ， 45 （ 8 ）： 2353 - 2361 .

HE Junjia . Research on key technologies of high voltage DC circuit breaker ［J］. High Voltage Engineering ， 2019 ， 45 （ 8 ）： 2353 - 2361 .

FRANCK C M ， SMEETS R ， ADAMCZYK A ， et al . Technical requirements and specification of the state-of-the-art HVDC switching equipment ［R］. USA ：CIGRÉ JWG A3/B4-34， 2017 .

姚良忠，吴婧，王志冰，等 . 未来高压直流电网发展形态分析［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 34 ）： 6007 - 6020 .

YAO Liangzhong ， WU Jing ， WANG Zhibing ， et al . Pattern analysis of future HVDC grid development ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 34 ）： 6007 - 6020 .

魏晓光，高冲，罗湘，等 . 柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 15 ）： 95 - 102 .

WEI Xiaoguang ， GAO Chong ， LUO Xiang ， et al . A novel design of high-voltage DC circuit breaker in HVDC flexible transmission grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 15 ）： 95 - 102 .

宋冰倩，赵西贝，赵成勇，等 . 新型多端口直流断路器及其在直流电网保护中的应用［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 1 ）： 160 - 167 .

SONG Bingqian ， ZHAO Xibei ， ZHAO Chengyong ， et al . A novel multi-port DC circuit breaker and its application in protection of DC power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 1 ）： 160 - 167 .

李斌，何佳伟 . 柔性直流配电系统故障分析及限流方法［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 12 ）： 3026 - 3036 .

LI Bin ， HE Jiawei . DC fault analysis and current limiting technique for VSC-based DC distribution system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 12 ）： 3026 - 3036 .

张祖安，黎小林，陈名，等 . 应用于南澳多端柔性直流工程中的高压直流断路器关键技术参数研究［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 8 ）： 2417 - 2422 .

ZHANG Zu'an ， LI Xiaolin ， CHEN Ming ， et al . Research on critical technical parameters of HVDC circuit breakers applied in Nan'ao multi-terminal VSC-HVDC project ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 8 ）： 2417 - 2422 .

高俊珍，淡淑恒，顾崴，等 . 机械式高压直流断路器开断性能试验研究［J］. 高压电器， 2020 ， 56 （ 11 ）： 111 - 115 .

GAO Junzhen ， DAN Shuheng ， GU Wei ， et al . Experiment research on breaking capability of mechanical type HVDC circuit breaker ［J］. High Voltage Apparatus ， 2020 ， 56 （ 11 ）： 111 - 115 .

程显，葛国伟，杨培远，等 . 基于真空断路器与SF 6 断路器串联的新型混合式高压直流断路器理论分析［J］. 电力自动化设备， 2019 ， 39 （ 6 ）： 68 - 74 .

CHENG Xian ， GE Guowei ， YANG Peiyuan ， et al . Theoretical analysis of novel hybrid HVDC circuit breaker based on a series of vacuum interrupter and SF 6 interrupters ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2019 ， 39 （ 6 ）： 68 - 74 .

SHUKLA A ， DEMETRIADES G D . A survey on hybrid circuit-breaker topologies ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2015 ， 30 （ 2 ）： 627 - 641 .

WU Y ， HU Y ， WU Y F ， et al . Investigation of an active current injection DC circuit breaker based on a magnetic induction current commutation module ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2018 ， 33 （ 4 ）： 1809 - 1817 .

王灿，杜船，徐杰雄 . 中高压直流断路器拓扑综述［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 9 ）： 187 - 199 .

WANG Can ， DU Chuan ， XU Jiexiong . Review of topologies for medium-and high-voltage DC circuit breaker ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 9 ）： 187 - 199 .

KESHAVARZI D ， FARJAH E ， GHANBARI T . Hybrid DC circuit breaker and fault current limiter with optional interruption capability ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 3 ）： 2330 - 2338 .

石巍，曹冬明，杨兵，等 . 500 kV整流型混合式高压直流断路器［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 7 ）： 102 - 107 .

SHI Wei ， CAO Dongming ， YANG Bing ， et al . 500 kV commutation-based hybrid HVDC circuit breaker ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 7 ）： 102 - 107 .

屈鲁，余占清，陈政宇，等 . 三端口混合式直流断路器的工程应用［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 23 ）： 141 - 146 .

QU Lu ， YU Zhanqing ， CHEN Zhengyu ， et al . Engineering application of three-terminal hybrid DC circuit breaker ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 23 ）： 141 - 146 .

杨田，刘晓明，吴其，等 . 单向直流断路器拓扑与保护策略分析［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （增刊1 ）： 259 - 266 .

YANG Tian ， LIU Xiaoming ， WU Qi ， et al . Analysis on the unidirectional DC circuit breaker and protection strategy ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ Supplement 1 ）： 259 - 266 .

ZHOU W D ， WEI X G ， ZHANG S ， et al . Development and test of a 200kV full-bridge based hybrid HVDC breaker ［C］// 17th European Conference on Power Electronics and Applications ， September 8-10 ， 2015 ， Geneva， Switzerland .

汤广福，王高勇，贺之渊，等 . 张北500 kV直流电网关键技术与设备研究［J］. 高电压技术， 2018 ， 44 （ 7 ）： 2097 - 2106 .

TANG Guangfu ， WANG Gaoyong ， HE Zhiyuan ， et al . Research on key technology and equipment for Zhangbei 500 kV DC grid ［J］. High Voltage Engineering ， 2018 ， 44 （ 7 ）： 2097 - 2106 .

刘平，刘朴，姚斯立，等 . 柔直工程500 kV机械式直流断路器容量试验［J］. 高压电器， 2019 ， 55 （ 12 ）： 221 - 226 .

LIU Ping ， LIU Pu ， YAO Sili ， et al . Capacity test of 500 kV mechanical DC circuit breaker of flexible DC project ［J］. High Voltage Apparatus ， 2019 ， 55 （ 12 ）： 221 - 226 .

张祖安，黎小林，陈名，等 . 160 kV超快速机械式高压直流断路器的研制［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 7 ）： 2331 - 2338 .

ZHANG Zu'an ， LI Xiaolin ， CHEN Ming ， et al . Research and development of 160 kV ultra-fast mechanical HVDC circuit breaker ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 7 ）： 2331 - 2338 .

陈名，徐惠，张祖安，等 . 耦合型机械式高压直流断路器设计及仿真［J］. 高电压技术， 2018 ， 44 （ 2 ）： 380 - 387 .

CHEN Ming ， XU Hui ， ZHANG Zu'an ， et al . Design and simulation of coupling mechanical high voltage DC circuit breaker ［J］. High Voltage Engineering ， 2018 ， 44 （ 2 ）： 380 - 387 .

许烽，陆翌，裘鹏，等 . 基于二极管钳位的电流转移型高压直流断路器［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 4 ）： 139 - 145 .

XU Feng ， LU Yi ， QIU Peng ， et al . Diode clamping based current-transferring high voltage DC breaker ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 4 ）： 139 - 145 .

许烽，江道灼，黄晓明，等 . 电流转移型高压直流断路器［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 21 ）： 98 - 104 .

XU Feng ， JIANG Daozhuo ， HUANG Xiaoming ， et al . Current-transferring high voltage DC breaker ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 21 ）： 98 - 104 .

李弸智，魏晓光，周万迪，等 . 混合式直流断路器电流转移开关核心性能研究与参数设计［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2021-11-05 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.202255 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.202255 .

LI Pengzhi ， WEI Xiaoguang ， ZHOU Wandi ， et al . Research on core performance and parameter design of current commutation switch in hybrid HVDC CB ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2021-11-05 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.202255 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.202255 .

邓二平，应晓亮，张传云，等 . 新型通用混合型直流断路器用IGBT测试平台及测试分析［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 2 ）： 300 - 309 .

DENG Erping ， YING Xiaoliang ， ZHANG Chuanyun ， et al . Novel general-purpose IGBT test platform for hybrid DC circuit breakers and analysis ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 2 ）： 300 - 309 .

XIAO Y ， WU Y ， WU Y F ， et al . Study on the dielectric recovery strength of vacuum interrupter in MVDC circuit breaker ［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ， 2020 ， 69 （ 9 ）： 7158 - 7166 .

严俊，许建中，赵成勇 . 高压直流断路器中能量吸收支路设计方法综述［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 14 ）： 4301 - 4314 .

YAN Jun ， XU Jianzhong ， ZHAO Chengyong . A review of design methods for energy absorption path design in high voltage direct current circuit breakers ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 14 ）： 4301 - 4314 .

程显，杨培远，葛国伟，等 . 基于电流转移的CO 2 气体断路器动态介质恢复特性［J］. 电工技术学报， 2019 ， 34 （ 23 ）： 5030 - 5038 .

CHENG Xian ， YANG Peiyuan ， GE Guowei ， et al . Dynamic dielectric recovery characteristics of CO 2 gas circuit breaker based on current commutation ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2019 ， 34 （ 23 ）： 5030 - 5038 .

李博，包涌泉，彭振东，等 . 基于改进型直流真空断路器弧后暂态仿真及介质恢复特性分析［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 8 ）： 1752 - 1760 .

LI Bo ， BAO Yongquan ， PENG Zhendong ， et al . Post-arc transient simulation and dielectric recovery analysis based on improved DC vacuum circuit breaker ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 8 ）： 1752 - 1760 .

OSHIRO R ， KANEKO E . Investigation about influence on breakdown voltage by arc condition before quenching ［C］// 3rd International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology ， October 25-28 ， 2015 ， Busan， Korea ： 532 - 537 .

秦涛涛，董恩源，刘贵新，等 . 真空直流开断固有介质恢复强度研究［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 5 ）： 1453 - 1459 .

QIN Taotao ， DONG Enyuan ， LIU Guixin ， et al . Free recovery of dielectric strength after DC interruption in vacuum ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 5 ）： 1453 - 1459 .

陈名，徐敏，黎小林，等 . 高压直流断路器开断试验方法综述［J］. 高压电器， 2018 ， 54 （ 7 ）： 37 - 43 .

CHEN Ming ， XU Min ， LI Xiaolin ， et al . Review of HVDC circuit breaker breaking test method ［J］. High Voltage Apparatus ， 2018 ， 54 （ 7 ）： 37 - 43 .

WU Y F ， WU Y ， YANG F ， et al . A novel current injection DC circuit breaker integrating current commutation and energy dissipation ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 8 （ 3 ）： 2861 - 2869 .

WU Y F ， WU Y ， YANG F ， et al . Bidirectional current injection MVDC circuit breaker： principle and analysis ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 2 （ 8 ）： 1536 - 1546 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Analysis on Fault Current Suppression Characteristics of Flexible DC Power Grid with Current Flow Controller

Multi-port Current Limiting DC Circuit Breaker Based on Voltage Clamp Principle

Related Author

Yifei WU

Yu XIAO

Fei YANG

Mingzhe RONG

Yi WU

Jiaming SHEN

ZHOU Niancheng

XIANG Haonan

Related Institution

State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, School of Electrical Engineering, Xi'an Jiaotong University

Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Company

College of Electrical Engineering, Sichuan University

State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University)

Jilin Power Supply Company of State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd.

⁰