Rozwiązania konstrukcyjne układów ryglowania napędów szybkich wyłączników elektroenergetycznych

• Autorzy: Przygoda Kamil , Stoczko Szymon , Daszczyński Tadeusz , Szewczyk Marcin

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2024.11.01

Warianty tytułu

EN

Design solutions for locking systems in fast-acting drives of power circuit breakers

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wielowęzłowe sieci prądu stałego wysokich i średnich napięć (HVDC, MVDC) wymagają stosowania łączników hybrydowych, w których prąd wyłączeniowy komutowany jest do modułów półprzewodnikowych przy użyciu mechanizmowych łączników szybkich. W sieciach średnich napięć stosowane są łączniki mechanizmowe doposażone w obwody rezonansowe wymuszające w obwodzie łącznika zestykowego przejście prądu przez wartość zerową. Wymagania stawiane łącznikom prądu stałego powodują konieczność stosowania w tych łącznikach napędów tzw. szybkich, o czasach działania rzędu pojedynczych milisekund. Wymaga to stosowania konstrukcji elektromagnetycznych (elektromagnesowych lub elektrodynamicznych) napędów szybkich. W niniejszym artykule przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne w zakresie istotnych elementów tych napędów, jakimi są układy ryglowania, utrzymujące styki łącznika w pozycji otwartej lub zamkniętej po ustaniu wymuszenia prądowego o charakterze impulsowym.

EN

High-voltage direct current (HVDC) multiterminal networks require the use of hybrid switches, in which the breaking current is commutated to semiconductor modules using mechanical fast switches. In medium voltage networks (MVDC), mechanical switches equipped with resonant circuits are used to force the current in the contact switch circuit to pass through a zero value. The fast operating direct current switches require the use of fast or ultra-fast drives in these switches, with operating times on the order of a few milliseconds. This requires the use of electromagnetic constructions (electromagnetic or electrodynamic). This paper presents design solutions for the key components of these drives, such as locking systems, which keep the switch contacts in the open or closed position after the decay of the pulse current excitation.

Słowa kluczowe

PL

wyłącznik DC; napęd; siłownik

EN

DC circuit breaker; actuator; drive

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 100, nr 11
• Strony: 1--5
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., rys.

Twórcy

autor

Przygoda Kamil

• Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki, Plac Politechniki 1, 00-661 Warszawa

• https://orcid.org/0009-0004-9263-8999

autor

Stoczko Szymon

• Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki, Plac Politechniki 1, 00-661 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0001-6161-8515

autor

Daszczyński Tadeusz

• Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki, Plac Politechniki 1, 00-661 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-6262-0286

autor

Szewczyk Marcin

• Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki, Plac Politechniki 1, 00-661 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0003-3699-5559

Bibliografia

• [1] Chaly, A. M., Chervinskyi, O. I., & Poluyanov, V. N. (2005, June). New generation of vacuum circuit breakers with monostable magnetic actuator. In CIRED 2005-18th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution (pp. 1-4). IET.
• [2] Xiaodong, X., Zhibing, L., Xianlgian, Y., Beiyang, L., & Yang, T. (2017, October). Design and test of vacuum circuit breaker with hybrid fast operating mechanism. In 2017 4th International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology (ICEPE-ST) (pp. 939-946). IEEE.
• [3] Dullni, E., Fink, H., & Reuber, C. (1999, June). A vacuum circuit-breaker with permanent magnetic actuator and electronic control. In Proceedings CIRED (pp. 150-156). France.
• [4] Xu, J., Zhang, P., Deng, Y., Dong, E., Tian, Y., Cong, Y., & Tian, K. (2017, October). A new electromagnetic force actuator for 126kV vacuum circuit breaker. In 2017 4th International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology (ICEPE-ST) (pp. 664-667). IEEE.
• [5] Fang, S., Lin, H., & Ho, S. L. (2009). Transient co-simulation of low voltage circuit breaker with permanent magnet actuator. IEEE Transactions on Magnetics, 45(3), 1242-1245.
• [6] Peng, C., Mackey, L., Husain, I., Huang, A. Q., Yu, W., Lequesne, B., & Briggs, R. (2017). Active damping of ultrafast mechanical switches for hybrid AC and DC circuit breakers. IEEE Transactions on Industry Applications, 53(6), 5354-5364.
• [7] Peng, C., Husain, I., Huang, A. Q., Lequesne, B., & Briggs, R. (2016). A fast mechanical switch for medium-voltage hybrid DC and AC circuit breakers. IEEE Transactions on Industry Applications, 52(4), 2911-2918.
• [8] Takeuchi, T., Koyama, K., & Tsukima, M. (2005). Electromagnetic analysis coupled with motion for high-speed circuit breakers of eddy current repulsion using the tableau approach. Electrical Engineering in Japan, 152(4), 8-16.
• [9] Yuan, Z., He, J., Pan, Y., Jing, X., Zhong, C., Zhang, N., ... & Tang, G. (2016). Research on ultra-fast vacuum mechanical switch driven by repulsive force actuator. Review of Scientific Instruments, 87(12).
• [10] Sim, M. S., Bukhari, S. S. H., & Ro, J. S. (2022). Analysis and design of a Thomson coil actuator system for an HVDC circuit breaker. IEEE Access, 10, 58354-58359.
• [11] Jiang, W., Liu, X., Chen, H., & Li, P. (2020, October). Analysis on dynamic characteristics of fast operating mechanism of vacuum circuit breaker. In 2020 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices (ASEMD) (pp. 1-2). IEEE.
• [12] Hou, Y., Shi, Z., Li, S., Yao, Q., Miao, Y., Zhang, S., & Qiu, N. (2019). Research on fast opening process in electromagnetic repulsion mechanism. IEEE Transactions on Magnetics, 55(6), 1-4.
• [13] Chunguang, H., Jinjin, W., Ying, H., Yundong, C., & Yuchen, C. (2016, September). Design and research of high stability repulsion mechanism of 12kV vacuum circuit breaker. In 2016 27th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV) (Vol. 2, pp. 1-4). IEEE.
• [14] Baudoin, A., Hátsági, B., Álvarez, M., Ängquist, L., Nee, S., Norrga, S., & Modeer, T. (2019). Experimental results from a Thomson-coil actuator for a vacuum interrupter in an HVDC breaker. The Journal of Engineering, 2019(17), 3527-3531.
• [15] Tian, Y., Zhu, Y., Dong, E., Tian, Y., & Li, Z. (2017, October). Simulation of high-speed mechanical switch on multi-field coupling. In 2017 4th International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology (ICEPE-ST) (pp. 934- 938). IEEE.
• [16] Lequesne, B., Holp, T., Schmalz, S. C., Slepian, R. M., & Wang, H. (2023). Frequency-domain analysis and design of Thomson-coil actuators. IEEE Transactions on Industry Applications, 59(2), 1765-1774.
• [17] Wu, Y., Wu, Y., Rong, M., Yang, F., Zhong, J., Li, M., & Hu, Y. (2015). A new Thomson coil actuator: Principle and analysis. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 5(11), 1644-1655.
• [18] Li, W., Jeong, Y. W., & Koh, C. S. (2010). An adaptive equivalent circuit modeling method for the eddy current-driven electromechanical system. IEEE Transactions on Magnetics, 46(6), 1859-1862.
• [19] Zhou, Y., Huang, Y., Wen, W., Lu, J., Cheng, T., & Gao, S. (2019). Research on a novel drive unit of fast mechanical switch with modular double capacitors. The Journal of Engineering, 2019(17), 4345-4348.
• [20] Bucher, M. K., & Franck, C. M. (2015). Fault current interruption in multiterminal HVDC networks. IEEE Transactions on Power Delivery, 31(1), 87-95.
• [21] Augustin, T., Parekh, M., Magnusson, J., Becerra, M., & Nee, H. P. (2021). Thomson-coil actuator system for enhanced active resonant DC circuit breakers. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 10(1), 800-810.
• [22] Al-Dweikat, M., Cui, J., Sun, S., Yang, M., Zhang, G., & Geng, Y. (2022, June). A review on Thomson coil actuators in fast mechanical switching. In Actuators (Vol. 11, No. 6, p. 154). MDPI.
• [23] Roodenburg, B., & Evenblij, B. H. (2008). Design of a fast linear drive for (hybrid) circuit breakers–development and validation of a multi domain simulation environment. Mechatronics, 18(3), 159-171.
• [24] Directorate-General for Climate Action (European Commission), "Going climate-neutral by 2050: A strategic longterm vision for a prosperous, modern, competitive and climateneutral EU economy," 2019
• [25] Sajjadi A, Kadkhodaei G, Hamzeh M, Tavakoli SD, Gomis- Bellmunt O. An Integrated Multi-Port Circuit Breaker With Current Flow Controlling Capability for Meshed Multi-Terminal HVDC Grids; IEEE Transactions on Power Electronics; 2024 May 2.
• [26] Dai Z, Li Y. A multi-functional multi-port hybrid DC circuit breaker for flexible DC distribution networks; IEEE Transactions on Power Delivery; 2023 Nov 15.
• [27] P. Cairoli, R. A. Dougal, “New Horizons in DC Shipboard Power Systems: New fault protection strategies are essential to the adoption of dc power systems”, IEEE Electrification Magazine, Vol. 1, No. 2, pp. 38-45, December 2013
• [28] Peng C, Song X, Huang AQ, Husain I. A medium-voltage hybrid DC circuit breaker – Part II: Ultrafast mechanical switch. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics; 2016 Oct 13;5(1):289-96.
• [29] Callavik M, Blomberg A, Häfner J, Jacobson B. The hybrid HVDC breaker. ABB Grid Systems Technical Paper (white paper). 2012 Nov;361(2012):143-52.
• [30] Barnes M, Vilchis-Rodriguez DS, Pei X, Shuttleworth R, Cwikowski O, Smith AC. HVDC circuit breakers–A review. IEEE Access. 2020 Nov 23;8:211829-48.
• [31] ABB Distribution Solutions, "VM1: Medium voltage vacuum circuit breakers with magnetic drive," 2018
• [32] S. Stoczko, “Trójcewkowy siłownik elektrodynamiczny do zastosowania w napędzie szybkim wyłącznika”, rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki (w przygotowaniu, na prawach rękopisu), 2024
• [33] Al-Dweikat M., Cui J., Sun S., Yang M., Zhang G., Geng Y., A Review on Thomson Coil Actuators in Fast Mechanical Switching, Actuators 2022, 11, 154.
• [34] Hou Y., Shi Z., et al., Research on Fast Opening Process in Electromagnetic Repulsion Mechanism, IEEE Transaction on Magnetics, vol. 55, no. 6, 2019
• [35] Peng C., Husain I., et al., Active Damping of Ultrafast Mechanical Switches for Hybrid AC and DC Circuit Breaker, IEEE Transaction on Industry Applications, vol. 53, no. 6, 2017
• [36] Augustin T., Parekh M., Magnusson J., Becerra M., Nee H. P., Thomson-Coil Actuator System for Enhanced Active Resonant DC Circuit Breakers, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 10, no. 1, pp. 800-810, Feb. 2022

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).