您当前位置: 首页 > 行业动态

直流产品国内外发展动态研究

2012年9月14日 0:00:00


21世纪被称为可再生能源的世纪,预计可再生能源利用技术、新型发电技术将会有重大突破,其工业应用规模将有大幅度提高。据统计全世界有66%的能源被白白浪费掉,因此能源的高效利用技术将广泛应用。节约技术、节能技术将是未来发展的重要技术,这些技术包括:联合循环,联电联产,热泵,高效节能灯,建筑节能技术,电力电子技术,能源效益审计等。随着电力技术的发展,要实现节约型社会目标,最主要的是采用直流供电技术,它将在以下各领域内发挥着重要的作用。
1、电力系统
在发电厂、变电站等容量大、电压高的电力系统中,直流断路器作为直流系统中最重要的元器件之一,其稳定可靠的运行将直接保证整个电力系统的安全。
2、直流电源
信息产业的蓬勃发展迎来通讯电源、EPSUPS等直流电源行业的大发展,基站、数据中心像雨后春笋般地出现在神州大地上。作为直流电源中各级馈电回路中最重要的操作和保护元器件的直流断路器,以其可靠的选择性分级配合对保护设备、限制事故范围起着非常重要的作用。
3、轨道交通和电力机车
目前我国的城市轨道交通体系均采用直流系统供电。而其直流电源大多由大功率硅整流装置提供,硅整流装置元器件因过载能力低,对直流电网保护元器件的要求更高。快速分断的直流专用断路器是轨道交通中的重要元器件。
4、港口和船舶
港口作为现代化物流的重要场所,有很多的直流电机应用。船舶电力系统和电力推进系统中,也有很多直流系统的应用。直流断路器是非常重要的元器件之一,它对变配电系统和用电设备的故障实施保护,采取多种防护,确保港口和船舶供电系统和用电设备的安全。
5、光伏发电
中国太阳能资源非常丰富,大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦以上,因而有巨大的开发潜能。光伏发电系统中逆变器需要可靠的直流断路器进行保护。
6、直流生态住宅
日本最大的太阳能光伏电池生产企业夏普公司提出直流生态住宅概念,它的最初方案是将太阳能电池及直流电与住宅能源管理系统集成为住宅供电系统。从这个概念来看,直流生态住宅就是低压直流微型电网在住宅场所的具体应用。从表面上看,家用电器的电源都是交流电,但从其内部电路来看,大部分电路的电源输入端都有整流滤波电路,它把交流220V变换成直流300V左右的电压,然后再进一步变换成电器所需要的各种直流或交流电压。
直流供电技术具有广阔的应用前景,是电力系统未来的发展方向,与之配套的直流电器产品将出现越来越多的品种,电压、电流等级越来越多,因此,直流电器产品最终将成为电器产品的主要构成部分。
直流电器产品包括直流固态断路器、直流接触器、直流继电器、直流断路器、直流隔离开关、直流开关设备和控制设备、直流熔断器及新型直流电器等,下面分别展开分析。
2.1直流固态断路器
2.1.1直流固态断路器的发展动态
1、直流固态断路器的分类
根据使用电力电子器件的不同主要有以下两类:
1)半控型断路器
由于半控型器件(SCR最具代表性)出现的比较早,容量大、通态压降小、损耗低、价格便宜等优点使其成为研发最早的固态断路器之一,其理论研究亦己比较成熟,工作原理比较简单,工业应用也较为广泛。但是与在交流领域的应用相比,当它被用于直流时仍然存在一些问题,比如当关断电路时,需要增加辅助回路产生电流过零点,以保证电路快速稳定地关断。但是由于容量大、价格便宜,SCR仍然是工程化的首选。
2)全控型断路器
全控型断路器具有可关断性、可以减少关断时间、降低故障关断电流等优点,其中以GTOIGBT以及IGCT(ETO)最具代表性,它们代表了全控器件发展的二个阶段。GTO型断路器通过给GTO管门极加正向或负向脉冲电流来实现器件的通、断,但由于通态压降较大、通态损耗和热量大、门极关断增益小等缺点限制了它在直流领域的应用。IGBT型断路器与GTO型相比,动作速度更快、硬关断较GTO容易,但是在通态压降和损耗方面与GTO
大致相同,单管容量则比GTO小,适用于中功率场合。IGCT(ETO)型断路器则因IGCT的大容量、低导通损耗和强大的硬关断能力等优点,受到广大研究人员的青睐,但是IGCT(ETO)也是日前同等级的大功率器件中最贵的,离商业化和工程化还有一定的距离。
可以看出GTOIGBT适用于中小功率场合,在大功率场合则因硬关断能力较小、通态损耗和硬关断损耗非常大等缺点受到限制,而IGCTETO等新型大功率器件则因造价过于昂贵而无法普及。
2、目前国内外的研究现状
无论是在国内还是国外,固态断路器凭借其卓越的性能得到了广泛的关注,并且在交流领域某些场合己经得到了商业化应用:1993年在美国新泽西州Mort MonmouthArmy Power Center4.6 kV 6.6 MW的固态断路器;英国也研制出13 kV的配电用SSCB。在以往交流输电占据着主导地位的格局下,断路器在直流领域的应用就显得非常有限。近年来,随着直流输电技术尤其是轻型直流输电技术(HVDC Light)、大功率半导体器件和新能源发电技术的发展,固态断路器在直流电力系统中的应用开始受到更多研究人员和电力工程人员的关注,并且开始应用于特定场合。
国外对直流固态断路器的研究比较早,在1987年美国Texas大学的William Kernaghan就研制出一台采用GTO作为主开关的200 V/15 A的直流固态断路器。在1999年时Dr.Jefffrey A. Casey等人对直流固态开关在配电系统中的分布、应用和成本等多方面做了详细的阐述并列举了DTI的工程应用。随后Houston大学研制出一台500 V电压等级的直
流固态断路器样机;2003年时美国CPES的研究人员就申清了采用硬关断器件ETO做直流固态断路器的发明专利,并在2005年成功研制出了1.5 kA/2.5 kV 4 kA/4.5 kV的样机,并通过了测试。
国内对直流固态断路器的研究则起步比较晚,对直流固态断路器的研究集中在一些特殊的领域而且电压等级都比较低,如在航天领域电压等级为120 V,在航空领域最高为270 V,舰船上是1500 V,国内的海军工程大学正在对固态断路器在舰艇上的应用进行研究,其研究的是低压、大电流,侧重于限流研究,采用IGBT为开关器件和自关断技术,应用场合受到限制。虽然国内中国工程物理研究所曾经研制出20 kV可控硅固态开关,但是其侧重于研究SCR的串联技术,未做过断路器方面的测试而且电流在1A以下。
从目前的研究情况来看,国内主要集中于拓扑结构的研究,基本处于样机试制和验证阶段,样机的容量较小而目集中在一些特殊的领域;国外对功率器件自身和拓扑结构都有研究,军事、民用并举,而目应用到了具体的工程实践之中。与国外相比,国内还有一定的差距亟需追赶。
2.1.2直流固态断路器的应用前景
1、直流固态断路器的发展方向
从固态断路器的发展历程和功率器件的发展方向来看,固态断路器在直流领域的发展:一方面兼具机械式断路器所具有的功能,使其满足工业上实用化、商业化和大功率化的需求;另一方面,将研究工作放在检测、控制方法和限流功能的研究上,使其将多种功能集于一身。
2、直流固态断路器的应用前景
现在发达国家如日本、德国等己越来越多地采用直流输电线路,另外舰船、地铁、海上独立钻井平台等均采用直流输电系统,对直流电源的保护和系统的控制要求越来越高。特别是近十几年来,轻型直流输电技术的提出和发展,固态断路器在直流领域的应用受到了广泛的关注。据预测,轻型直流输电在电压低于士150 kV,容量不超过200 MW时具有经济上的优越性,它在向偏远地区供电、海上供电、城市配电网增容改造、清洁能源发电、提高电网供电质量等领域将可能发挥极大的作用。日前应用的比较多的是对海上独立钻井平台的供电和清洁能源的发电(主要是风力发电和太阳能发电),这些场合大多采用的是轻型直流输电而目电压等级基本属于中、低等级。由于轻型直流输电网络中的电力电子设备应用的较多,机械式断路器己无法满足电力系统实时、灵活、快速的要求,从保护的实时性和安全性等多方面的对比和衡量,固态断路器比机械式更具有优势。随着社会经济的发展,对煤和石油等一次性不可再生能源的需求量日益增加,在欧美等发达国家都掀起了一股新能源发电开发的热潮。近几年来,国内风力发电(含海上风力发电)、太阳能发电等呈现的跳跃式的发展都为直流固态断路器的应用提供了广阔的前景。
 
2.2直流接触器
直流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断额定工作电压为1200V及以下的直流主电路及大容量控制电路的电器。当接触器线圈通电后,线圈电流产生磁场,使静铁心产生电磁吸力吸引动铁心,并带动触点动作:常闭触点断开,常开触点闭合,两者是联动的。当线圈断电时,电磁吸力消失,衔铁在释放弹簧的作用下释放,使触点复原:常开触点断开,常闭触点闭合。直流接触器,主回路的电流是直流的,一般比较少用,主要用在精密机床上的直流电机控制中。一般来说,控制回路常用直流电,应用于变压器、高压电机等大型设备的控制保护,如果都用交流的话,一旦停电,需要保护装置动作,但因为没有电而不会动作,所以使用直流电是一种保障。
2.2.1直流接触器的发展动态
直流接触器的用途虽不如交流接触器广泛,但世界各国的制造厂家和科研机构仍然十分注重其发展,不过其发展速度总是落后于交流接触器。
近几年来,传统式直流接触器的结构还是以平面布置结构最为普遍,主触头系统在上方,全部零件在绝缘板或金属板上,便于用单极组合成双极或多极接触器,而缺点是安装面积大。英国、美国、日本、德国及瑞典等国家的低压电器制造厂很少生产该种产品。
国外许多厂家都采取由交流接触器派生直流接触器的办法。这样,交流接触器的大部分零件可与直流接触器通用,不必为生产增添更多的专用设备,便于生产管理,这就大大节约了投资,又增多了产品品种。派生直流接触器的体积小,工作可靠性高,分断能力高,维修和检查方便,既可交流操作,又可直流操作,适用于控制调速电动机,以及在一般直流电路中作开关使用。如果增大派生直流接触器的线圈电压,直流接触器还可用于控制电力机车及在电压波动很大的开关装置中作开关部件使用。
直流接触器的机械寿命一般为500~1000万次,电寿命根据使用条件而定;操作频率在DC-2DC-3使用类别下为600~750/h,在DC-3DC-5使用类别下为250/h,额定电压至750V,额定电流至400A
目前的交直流接触器都属于有触点的电磁机构,体积大,且有触点会产生火花和磨损,噪声也大。因此发展趋势就是从原理上改变其电磁机构,利用电力电子元件构成无触点的固态交直流接触器。已经有人开始从事这方面的工作,问题是要实现利用电力电子元件构成无触点的固态交直流接触器,目前还存在很多困难。比如:固态接触器保护问题(电力电子元件的过载能力目前远远不如电磁接触器)。此外,固态接触器的触点数相对较少,虽然可以扩充,但扩充后的体积、不同触点之间的相互干扰等方面的问题又出来了。
   
总之,交直流接触器的发展趋势是采用电力电子元件构成的固态接触器,采用固态接触器后,不仅可实现目前接触器的功能,还能进一步发展多功能(或智能)接触器,同时避免电磁式接触器的一系列缺点(触点易损坏,产生火花,维护工作量大)等。
2.2.2典型产品及主要技术参数
1CZ18系列直流接触器
CZ18系列直流接触器是国内80年代的换代产品,适用于直流电压至440V、电流到10001600A的电路中远距离分断和频繁控制直流电动机。产品采用立体布置的整体式结构,单绕组线圈,转动式单断点主触头系统,串联磁吹灭弧,直流控制,带两对辅助触点(2常开2常闭)。额定电流80A及以下的产品为板前接线式,磁系统不带电;160A及以上的产品为板后接线式,磁系统带电,须安装于绝缘底板(用户自备或制造厂提供)上。
2CZ21-16CA22-63型直流接触器
这两种接触器系国内80年代补充开发的单规格产品。CZ21-16只有16A一种规格,主要用于部分行业控制6kW以下的小型电动机。采用直动式双断点结构,恒磁磁吹灭弧,交流控制。CZ22-63只有63A一种规格,主要为满足晶闸管整流系统中对交流控制的直流接触器的需求而设计,系在交流接触器CJ20-63的基础上派生设计而成。
3CA17-150牵引直流接触器
其额定电压为48V、额定电流为150A。接触器可以做成单极常开式,也可以做成1常开、1常闭的结构形式。接触器一般不带灭弧室,但也可加装灭弧室。磁系统为拍合式。
4CZ5系列牵引直流接触器
该系列直流接触器适用于无轨电车及起重机、挖掘机等电气设备的电力和控制回路中,供电动机的频繁启动及电路的接通、分断。
5、目前常见产品(中国德力西控股集团)

1CZ0系列直流接触器

 

分享到: