It is anticipated that massive amounts of energy will be transferred long distances via High-Voltage Direct Current (HVDC) links in the future and the prospect of having meshed HVDC grids is envisioned, for example the European super grid. Such a power system would benefit greatly if HVDC circuit breakers could reliably clear faults within the HVDC network. Different ways to break large direct currents have been proposed throughout the years and one distinguished concept is based on generating an artificial zero-crossing of the current and pass it through a mechanical interrupter as it opens. This concept is implemented in the Voltage-Source Converter Assisted Resonant Current (VARC) circuit breakers developed at Scibreak which require auxiliary power from an off-line supply unit to energize their electronic equipment. This thesis continuous and builds on research previously carried out at Scibreak on a special Auxiliary Power Supply (APS) concept for 525 kV HVDC applications. In essence, it is a unique modularized high-frequency transformer whose power transfer and voltage withstand capabilities are the cornerstones of its design. The APS must supply an adequate amount of power to drive the VARC circuit breakers with preferably high efficiency while also fulfilling the considerable insulation demands of HVDC grids. A feasibility study of this APS concept was carried out by building a parametric 3D model in the Finite Element Analysis (FEA) software Ansys Maxwell which includes all parts that affect both its magnetic and electrical properties. The initial model reproduced experimental results from a magnetic APS prototype and was then used to explore a plethora of different geometries and materials with regards to its magnetic and dielectric designs. Specific design candidates were selected for more in-depth analysis and experimental work. All obtained results together with knowledge of commercially available materials show that the APS holds great promise to meet the necessary design criteria for its HVDC applications. Its dielectric design is well suited to continuously handle an operating voltage of 525 kV DC, meet the required impulse voltage levels of the grid and properly shield the magnetic structure. It is expected to have a long life time where the design criterion was always 30 years in this work. Moreover, its magnetic design is anticipated to supply a few kW of active power with efficiencies between 80 to 95 percent and manage a continuous operating time of 5 min. Both design aspects are interchangeable to a decent extent in order to cope with one another and produce a compromised design. / Det förväntas att enorma mängder energi kommer överföras långa sträckor med Högspänd Likström (HVDC) i framtiden och blivande HVDC-nät håller på att föreställas, till exempel det europeiska superelnätet. Ett sådant kraftsystem skulle ha stor nytta av HVDC-brytare som tillförlitligt kan bryta felströmmar inom HVDC-nätet. Olika sätt att bryta stora likströmmar har föreslagits med åren och ett distinkt koncept bygger på att generera en artificiell nollgenomgång av strömmen och föra den genom en mekanisk brytarkammare när den öppnas. Detta koncept är implementerat i de så kallade VARC-strömbrytarna som utvecklas hos Scibreak, vilka kräver hjälpmatning av effekt från en extern försörjningsenhet för att driva deras elektroniska utrustning. Denna avhandling fortsätter och bygger vidare på forskning som tidigare utförts hos Scibreak på ett speciellt Hjälpmatningskoncept (APS) för 525 kV HVDC-tillämpningar. I huvudsak är det en unik modulariserad högfrekvenstransformator vars kraftöverföring och spänningståligheter är huvudfokusen i dess design. Hjälpmatningen måste kunna leverera en tillräcklig mängd effekt för att driva VARC-brytarna med företrädesvis hög verkningsgrad, samtidigt som den ska uppfylla de betydande isolationskraven för HVDC-nät. En genomförbarhetsstudie av detta APS-koncept gjordes genom att bygga en parametrisk 3D modell i Finita Elementmetodsprogramvaran (FEM) Ansys Maxwell som inkluderar alla delar som påverkar både dess magnetiska och elektriska egenskaper. Den initiala modellen reproducerade experimentella resultat från en magnetisk APS-prototyp och användes sedan för att utforska en uppsjö av olika geometrier och material med avseende på dess magnetiska och dielektriska konstruktioner. Specifika designkandidater valdes ut för mer djupgående analys och experimentiellt arbete. Alla erhållna resultat tillsammans med kunskap om kommersiellt tillgängliga material visar att APS:n har stora möjligheter att uppfylla alla nödvändiga kriterier för sina HVDC-tillämpningar. Dess dielektriska design är väl lämpad för att kontinuerligt hantera en driftspänning på 525 kV DC, möta de erforderliga stötspänningståligheterna i nätet och ordentligt skydda den magnetiska strukturen. Den förväntas ha en lång livstid där designkriteriet alltid var 30 år i detta arbete. Dessutom förväntas dess magnetiska design leverera några kW aktiv effekt med verkningsgrader mellan 80 till 95 procent och klara en kontinuerlig drifttid på 5 min. Båda designaspekterna kan justeras i en någorlunda utsträckning för möta de krav som ställs från varandra och producera en kompromissad design.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-322841 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Johansson, Henrik |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2022:849 |
Page generated in 0.0066 seconds