高电压技术与设备

,华中科技大学,高电压技术与设备,电力系统过电压与雷电防护,一、研究团队概况,3,王晓瑜 教授 工作时间:1966年-1999年 提出输电线路雷电屏蔽模拟试验方法和自由-约束先导理论。,朱木美 教授 工作时间:1952年-1969年 与美国学者同一时期独立提出了电气几何模型。,一、研究团队概况,自2007年起，联合国家电网公司、中国电科院、国网电科院武汉南瑞(原武高所)、南网科研院等单位，开展电力系统过电压电压与雷电防护研究，主要包括三个方面：,电网雷电性能评估理论与工具雷电/长空气间隙放电基础研究直流输电系统过电压与绝缘配合,4,教师队伍：何俊佳教授、贺恒鑫讲师 博士后：出站1名、在站1名 博士生：毕业8名，在读2名 硕士生：10余名,一、研究团队概况,5,二、主要研究方向和进展,方向1：电力系统雷电防护研究进展,1,雷电活动参数的统计分析方法,研究提出了海量雷电监测数据的多重网格高效统计方法和地闪密度分布图平滑分级方法，研发了与雷电定位系统数据库的接口和雷电参数统计分析程序，实现了区域和沿线路地闪密度分布统计与地闪密度图绘制功能，为防雷优化设计和治理奠定了数据基础。,7,2,输电线路防雷性能的评估方法绕击,建立了输电线路雷电先导发展三维仿真模型，已应用于我国特高压线路防雷设计。特高压试验示范工程、皖电东送工程投运至今未出现雷击跳闸故障，优于苏联和日本特高压线路运行值(为0.45次和0.9次每百公里年)。,输电线路三维雷电先导发展模型,模型应用证明,8,方向1：电力系统雷电防护研究进展,方向1：电力系统雷电防护研究进展,2,输电线路防雷性能的评估方法绕击,建立了输电线路雷电先导发展三维仿真模型，已应用于我国特高压线路防雷设计。特高压试验示范工程、皖电东送工程投运至今未出现雷击跳闸故障，优于苏联和日本特高压线路运行值(为0.45次和0.9次每百公里年)。,输电线路三维雷电先导发展模型,模型应用证明,9,方向1：电力系统雷电防护研究进展,2,输电线路防雷性能的评估方法反击,建立了基于FDTD方法的杆塔雷电冲击响应数值仿真模型，并开展模拟试验验证了模型的正确性，解决了传统的波阻抗TEM波假设无法准确计算特高压、高杆塔雷击过电压的问题。,塔顶及横担电位仿真结果与试验对比,杆塔冲击响应仿真和试验布置,10,方向1：电力系统雷电防护研究进展,3,输电线路绝缘子/空气间隙雷击闪络特性,试验获得了输电线路污秽条件下绝缘子的短尾波雷电冲击闪络特性以及空气间隙的雷电冲击闪络特性，掌握了叠加工频电压对污秽下雷电冲击闪络的影响规律，为特殊环境下线路的防雷优化提供支撑。,短尾波污秽绝缘子闪络观测结果,不同盐密条件叠加工频下的闪络特性,11,方向1：电力系统雷电防护研究进展,4,输电线路防雷分析软件研发,基于上述理论研究成果，研发出输电线路防雷分析软件系统LPTL，在江苏、广东、云南等9个省级电网应用超过200套，已成为电网防雷设计和改造升级的重要支撑工具。,LPTL软件系统架构,12,5,雷击/长间隙放电基础研究放电观测方法,提出了长间隙放电气体密度/温度定标纹影测量方法、高电位瞬态放电电流测量方法，构建了集高速图像、电流、电场和密度温度测量为一体的放电同步观测系统，为放电机理研究奠定了基础。,激光定标纹影光学成像系统,5s/frame,13,方向1：电力系统雷电防护研究进展,5,雷击/长间隙放电基础研究雷电上行先导放电特性,开展了1m12m尺度放电试验观测，发现了先导起始时延随空间电荷的变化规律，首次获得了输电线路上行先导发展速度与放电电流的关系曲线，为雷电先导发展模型建立提供了基础数据。,正极性上行先导放电关键参数获取,10m,5 s/frame,发展速度1.6 cm/s,先导电流为1.0A,暗区时间,电压,电流,电场,空间电荷对上行先导起始的屏蔽作用,14,方向1：电力系统雷电防护研究进展,研究成果作为“电网雷击防护关键技术与应用”项目的主要创新点，获国家科技进步二等奖和中国电力科技进步一等奖。,15,方向1：电力系统雷电防护研究进展,二、主要研究方向和进展,1,HVDC系统电磁暂态建模,研究建立了ABB MACH2实际直流输电工程用全套极控、阀控模型，计算结果与工程实际调试波形吻合，解决了直接采用CIGRE Benchmark模型无法准确计算实际HVDC工程电磁暂态过程的问题。,MACH2 极控制层逻辑框图,模型精度与工程调试实测波形对比,17,方向2：直流输电系统过电压与绝缘配合研究进展,2,HVDC换流站绝缘配合方法,系统掌握了避雷器参数计算方法和不同避雷器配置方案下(ABB和SIEMENS方案)特高压直流输电系统的过电压特性，首次提出了全计算机流程化的直流输电系统绝缘配合方法。,全计算机流程化的绝缘配合方法 (实现了模型自动建立、配合方案自动计算和对比),四种典型直流侧故障电压和电流波形 (分析掌握了八大类典型故障下的电磁瞬态特性),18,方向2：直流输电系统过电压与绝缘配合研究进展,3,HVDC系统绝缘配合软件研发,研发出集避雷器方案配置、系统过电压特性分析和绝缘配合计算功能为一体的HVDC绝缘配合分析软件工具ICTDC，已应用于±800kV云-广、糯扎渡和±500kV溪洛渡双回直流输电工程的绝缘配合设计，获得多项南方电网公司科技奖励。,各个工程应用研究报告,19,方向2：直流输电系统过电压与绝缘配合研究进展,4,MMC和MMC/LCC混合柔性直流系统过电压与绝缘配合,研究了两端模块化多电平柔性直流、MMC/LCC混合型直流输电系统的控制策略和建模方法，研究了不同主接线型式下柔性直流输电系统的避雷器配置方案和动作特性，得出了典型条件下系统关键节点的过电压水平和绝缘耐受要求。,20,方向2：直流输电系统过电压与绝缘配合研究进展,MMC/LCC混合型柔性直流系统主接线,1,基于电力电子高压发生器的雷电上行先导放电特性,三、正在开展的研究工作,2,电晕空间电荷对雷电上行先导放电的影响机理研究,3,特高压系统及组成设备电磁瞬态过程建模,4,特高压多端直流输电系统过电压与绝缘配合,电力开关设备,一、研究团队概况,23,自2003年起，联合国家电网公司、中国电科院、全球能源互联网研究院、武汉南瑞等，围绕交、直流开断技术开展研究，主要包括两个方面：,大容量交流开断关键技术高压直流断路器关键技术,教师队伍：袁召博士、尹小根讲师、陈立学博士 博士后：出站2人， 博士生：毕业4人，在读3人 硕士生：在读8人,主要研究方向,24,二、主要研究方向和进展,提出了基于高耦合度分裂电抗器的并联型断路器实现方法，研制首个能够自动均流/限流的126kV/5000A-80kA（已完成挂网）、252kV/3150A-85kA并联型断路器样机，已完成88kA开断试验。,1-1,并联原理,耦合电抗器对耦合并联电弧均流控制研究,25,ITRV分析及抑制研究,方向1、大容量交流开断关键技术研究,基于高耦合度分裂电抗器的断路器并联技术,基于高耦合度分裂电抗器（HCSR）的并联型断路器研制。完成拓扑实现、参数设计、 HCSR研制，研制首个能够自动均流/限流的126kV/80kA、252kV 88kA 并联型断路器样机，完成开断试验。,252kV并联型断路器开断试验,26,串并联型126kV真空断路器挂网运行,方向1、大容量交流开断关键技术研究,1-1,基于高耦合度分裂电抗器的断路器并联技术,提出了多包封电抗器“等高等热流密度”热负荷分配方法、电抗器“包封-气道”单元散热效率优化方法，并结合空心线圈磁场耦合效率理论，提出了干式空心多包封电抗器“热磁联合优化”方法，完善了干式空心电抗器设计理论。,“热磁联合” 优化,27,包封气道单元散热效率优化,方向1、大容量交流开断关键技术研究,1-2,干式空心电抗器设计优化技术,针对开关故障选相开断形成故障电流还原、零点预测算法，零点预测误差±0.42ms；完成了开关常规/故障开断相控软硬件开发。,选相控制研究思路,电流还原波形既选相控制器样机,故障选相实验结果,方向1、大容量交流开断关键技术研究,1-3,断路器智能选相控制研究,主要研究方向,29,30,新型机械式直流断路器拓扑方案研究 直流断路器核心部件关键技术 40kV模块样机 南澳工程160 kV高压直流断路器样机 电容缓冲型直流断路器,方向2,高压直流断路器关键技术研究,方向2、高压直流断路器关键技术研究,新型机械式高压直流断路器研制。基于“人工过零”的机械式直流开断原理，克服传统机械式缺点，提出满足双向可靠开断要求的耦合型机械式高压直流断路器拓扑方案。,机械式直流断路器,固态式直流断路器,混合式直流断路器,通过叠加LC回路振荡电流产生过零点。 通态损耗低、成本低，小电流/双向开断难。,由全控型半导体组件完成电流分断。 分断时间短，通态损耗高、成本高。,由机械开关和半导体组件混合构成； 分断时间短，通态损耗较高，成本高。,方向2、高压直流断路器关键技术研究,2-1,新型机械式直流断路器拓扑方案研究,新型机械式高压直流断路器研制。基于“人工过零”的机械式直流开断原理，克服传统机械式缺点，提出满足双向可靠开断要求的耦合型机械式高压直流断路器拓扑方案。,方向2、高压直流断路器关键技术研究,2-1,新型机械式直流断路器拓扑方案研究,新型机械式高压直流断路器研制。基于“人工过零”的机械式直流开断原理，克服传统机械式缺点，提出满足双向可靠开断要求的耦合型机械式高压直流断路器拓扑方案。,陈维江院士等专家评价： “在机械式高压直流断路器拓扑结构方面达到国际领先水平。”,方向2、高压直流断路器关键技术研究,2-1,新型机械式直流断路器拓扑方案研究,开关快速斥力机构理论优化研究，实现电路参数、驱动系统磁场能量转化过程的解耦，并分别实现最优化设计。成倍提高驱动能量转换效率，实现2ms-12mm超高速驱动。,方向2、高压直流断路器关键技术研究,2-1,新型机械式直流断路器核心部件关键技术,开关快速斥力机构理论优化研究，实现电路参数、驱动系统磁场能量转化过程的解耦，并分别实现最优化设计。成倍提高驱动能量转换效率，实现2ms-12mm超高速驱动。,场参数优化 电路参数优化 组合优化,方向2、高压直流断路器关键技术研究,2-1,新型机械式直流断路器核心部件关键技术,开关快速斥力机构理论优化研究，实现电路参数、驱动系统磁场能量转化过程的解耦，并分别实现最优化设计。成倍提高驱动能量转换效率，实现2ms-12mm超高速驱动。,组合优化,方向2、高压直流断路器关键技术研究,2-1,新型机械式直流断路器核心部件关键技术,快速分闸与慢速合闸,真空灭弧单元瞬变电弧开断能力研究。分析了弧后介质恢复过程与开断电流值、换流速度、触头开距、触头直径等的关系，指导换流回路参数和灭弧室选取。,方向2、高压直流断路器关键技术研究,2-1,新型机械式直流断路器核心部件关键技术,正向开断试验,反向开断试验,机械开关电流与高频电流第一个半波反向，叠加产生零点，电流成功转移,机械开关电流与高频电流第一个半波同向，与第二个半波叠加产生零点，电流成功转移,性能指标： 电压： 40kV 开断电流： 010kA 开断时间： 3ms,方向2、高压直流断路器关键技术研究,2-1,新型机械式直流断路器 40kV模块样机,39,39,2,1,3,断路器指标：额定电压160kV，额定电流1kA，最大开断电流9kA，开断时间5ms、设计断口数4个、设计尺寸：6.5m×5.5m×8.3m,39,方向2、高压直流断路器关键技术研究,2-1,新型机械式直流断路器南澳工程160 kV高压直流断路器样机,