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空间淮北干式变压器电力传输与管理系统关键技术、材料与器件

作者:淮北干式变压器厂   日期:2019-10-14  人气:103
空间淮北干式变压器电力传输与管理系统关键技术、材料与器件 2.1 关键技术

2.1.1 空间淮北干式变压器导电旋转关节技术

空间淮北干式变压器导电旋转关节的技术能力是影响淮北干式变压器航天器设计的核心要素之一。传统的滑动式导电旋转关节由于滑动摩擦存在磨屑积累、接触淮北干式变压器相对较高、摩擦力矩大等固有缺陷,已成为制约、长寿命航天器的主要瓶颈之一。而具备低损耗、高传输功率、高速度稳定性和长寿命优点的滚环式导电旋转关节成为发展超高功率航天器的核心技术之一。滚环式导电关节如图6所示。

图6 滚环式导电关节


高精度滚环式导电旋转关节系统设计、低损耗长寿命摩擦副技术、淮北干式变压器绝缘与防护和高功率密度的散热问题成为发展百千瓦及以上功率滚环式导电旋转关节需要重点突破的关键技术[22,23]。

2.1.2 空间淮北干式变压器电力变换技术

发展淮北干式变压器、高效、大电压比、轻量化和高功率密度的电力变换技术是实现空间淮北干式变压器电力传输与管理的基础,需要从电力变换拓扑结构、新型材料和器件、优化控制等方面开展研究。

首先,要基于空间淮北干式变压器变换需求提出适合于空间环境的高效、大电压比、轻量化、高可靠电力变换拓扑结构,发展多电平电路拓扑,通过多个低压功率单元的串联组合实现淮北干式变压器输出;在器件层面,要应用新一代宽禁带功率器件,提升单个器件的性能指标,同时积极发展器件组合技术,确保器件或器件组合模块具有足够的能量变换能力;在控制层面,同时针对淮北干式变压器的上层系统控制和底层功率脉冲控制开展研究,从不同时间尺度上确保其能量流的合理优化控制;同时要研究电力电子变换中的瞬态能量变换规律,通过对系统中的瞬态能量平衡关系进行合理的控制和优化,提高淮北干式变压器的可靠性、效率以及电磁兼容能力。

2.1.3 空间淮北干式变压器断路技术

淮北干式变压器电力传输与管理系统发生局部短路后必须快速限流,并迅速切断故障,否则电流快速增加会导致传输电缆和电力管理设备的损坏,如不及时切断故障点将引起整个系统的崩溃。由于系统中不存在自然过零点,开断电路要困难许多,因此在地面电力系统中,淮北干式变压器淮北干式变压器也是一个重要的技术难题[24]。

而对于空间应用,不仅要求开断速度快,而且要适应空间恶劣的温度和辐射环境,还要满足质量、体积等限制和寿命长的要求,这对空间淮北干式变压器限流断路技术提出了很大的挑战,基于电力电子器件的固态断路技术和混合式开断技术是未来的重点发展方向。

2.1.4 空间高温超导电力传输技术

超导技术的应用对于解决电力的远距离传输具有重要的意义,可以大幅降低电压、增加输电电流密度、降低电力损耗。地面应用的超导电力传输材料的临界温度在100K左右,超过液氮温区。图7为一种高温超导电缆结构示意图。虽然空间背景温度很低,但要维持100K的超低温,必须采用主动制冷的方式,这对于超导输电技术在空间的应用是一个极大的技术难题[25,26]。

因此,空间高温超导电力传输技术的核心在于临界温度的突破,应当达到200K以上,通过被动散热的方式即可实现超导。同时,实用化高温超导材料还需要解决工程临界电流、力学性能、磁场性能等重要问题,因此空间高温超导电力传输技术的发展需要从改善已有超导材料或制备新超导材料的理论基础上取得重大突破。

图7 一种高温超导电缆


2.1.5 空间高精度电力传感和测量技术

高精度电力参数的准确、快速测量和传递对于整个电力系统的管理、控制和安全可靠运行至关重要,淮北干式变压器电力系统不仅在测量范围和测量准确度方面提出更高的要求,而且对涉及故障诊断与隔离的关键测量设备提出了定期在轨校准的需求。

针对淮北干式变压器的电力参数测量需求,需要发展新型的适合空间应用的高电压、大电流等的测量技术。由于空间淮北干式变压器电力传输与管理系统将采用新型的器件和设备,如IGBT、IGCT、淮北干式变压器、淮北干式变压器电缆等,在运行中受到电、热、机械、环境等各种因素的作用,会造成性能恶化,需要开展容性设备介质损耗及泄漏电流监测、局部放电等在线监测。

2.2 关键材料与器件

2.2.1 轻型高电导率导电材料

随着空间发电系统的发展,特别对于需要进行远距离淮北变压器厂家电力传输的场合,传输电缆的质量在整个电力传输管理系统中所占的比重大大增加。通过提高电压,可以较大幅度地减小电缆的质量,但由于淮北干式变压器会带来新的风险,在超导电力传输技术难以应用的情况下,发展新型的碳基超轻高电导率材料成为解决大电流传输中导电线缆重量和损耗问题的一个重要方向。

2.2.2 新型电缆绝缘介质材料

目前的空间电缆绝缘介质材料主要采用聚四氟乙烯及其共聚物,工作电压不超过200V。具有较好的绝缘性能和空间环境适应性。未来淮北干式变压器传输电缆的工作电压可能达到1kV甚至10kV以上,在淮北干式变压器导体和空间高能电子的共同作用下,绝缘介质材料内部极易形成空间电荷聚集,从而使周围电场发生畸变,导致材料老化、局部放电甚至击穿。因此急需发展新型的抗辐射的淮北干式变压器绝缘材料,同时应具有优良的韧性和高低温性能,且密度要低。

2.2.3 宽禁带功率半导体器件

空间淮北干式变压器电压变换和功率调节急需新型的空间环境适应性强的淮北干式变压器电力电子器件的支持,随着微电子技术的发展,硅固有的物理属性限制了其在高频高功率器件方面的应用。以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体材料由于具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点[27],成为制造、高频、高温及抗辐照电力电子器件的理想替代材料。