直流斷路器在特高壓直流輸電中的應用

趙宏達

直流斷路器在保證特高壓直流輸電系統(tǒng)的持續(xù)正常運行中具有不可忽視的重要作用，但是當前的直流斷路器在開斷中存在一些難以攻克的技術問題。本文從直流斷路器的基本原理出發(fā)，對其開斷中存在的技術問題進行簡單介紹，隨后對其在特高壓直流輸電工程應用的配置原則以及運行方式的變換進行了詳細介紹，最后對其具體應用進行簡單闡述。

【關鍵詞】直流斷路器 特高壓直流輸電 配置原則 運行方式 應用

直流斷路器具有較好的限流性能，能準確保護繼電保護、自動裝置免受過載、短路等故障危害。直流斷路器是特高壓直流輸電換流站系統(tǒng)中的重要電氣設備，處于換流系統(tǒng)直流輸送環(huán)節(jié)，保證在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，能夠及時進行系統(tǒng)結構的變換，不影響供電系統(tǒng)的持續(xù)安穩(wěn)運作。下文將對直流斷路器的一些基本原理和技術問題進行介紹，并對其在特高壓直流輸電中的應用原則等進行闡述。

1 直流斷路器的基本原理

直流斷路器采用特殊的滅弧、限流系統(tǒng)，可迅速分斷直流配電系統(tǒng)的故障電流，使級差配合得到很大的提高。根據組成結構的差異，直流斷路器可分為無源型和有源型兩種類型，組成結構如圖1所示。其中，無源型直流斷路器主要用于中等幅值直流電流的轉換，有源型直流斷路器則應用于幅值較大的直流電流的轉換中。

像圖1，無源直流斷路器電路中有電抗器（L）、避雷器（R）、電容器（C）和斷路器（B）各1個，相對于有源直流斷路器來說，其少了一個直流充電裝置 （Udc）和隔離開關（S1）。

在無源輔助電路直流斷路器中，分開斷路器的觸頭，電弧會使得L-C支路和SF6斷路器所形成環(huán)路激發(fā)產生諧振電流。一般來說，在有源輔助電路直流斷路器中，一開始并沒有斷路器連接電容器，只是通過通電器充電，使電容器形成一定直流電壓。在分離斷路器觸頭后，將隔離開關S1合上，將斷路器和預充電電容器連接，從而產生振蕩電流，使得斷路器的斷口電流過零點，從而熄滅斷口間電弧。無論是有源還是無源輔助斷路器，熄滅電弧后其具有一致的工作原理。通常情況下，熄滅SF6斷路器電弧之前，會產生高達數千赫茲的高頻率振蕩電流，具有很短的電流峰值時間。

2 直流斷路器開斷問題及解決方案

2.1 存在的問題分析

主要有三個問題一直困擾著直流斷路器開斷：首先是產生過電壓。直流系統(tǒng)中存在像濾波裝置、對地電容、導線線間電容、平波電抗器、過電壓波吸收電容器等電容電感元件，一旦系統(tǒng)操作或出現(xiàn)障礙，那么系統(tǒng)工作條件及參數也會相應發(fā)生改變，就會導致電感和電容之間進行電磁能量振蕩，從而產生系統(tǒng)內部過電壓問題。其次是釋放巨大的能量問題。斷開觸電時，在回路中儲存的磁場能量，會在直流斷路器開斷時釋放，這一直是難以解決的技術問題。最后是無過零點的問題。交流系統(tǒng)斷路器電弧的熄滅一般是通過每個周期中交流電流的兩個電流零點來進行，在這個過程中，也會促進弧隙介質介電強度的恢復，從而有利于滅弧工作的開展。因為直流電流無電流零點，是一個定值，因此要熄滅直流電弧，一般要采用交流電流過零來實現(xiàn)。

2.2 方案分析

2.2.1 第一：采用自激振蕩

所謂自激振蕩，主要是借助電弧不穩(wěn)定性及負電阻性，在跟開斷弧間隙并聯(lián)的電感和電容串聯(lián)的回路中，激發(fā)遞增自激振蕩，從而增加直流電流中的振蕩流，借助電流過零的時候，將電路開斷。采用這種形式，可以將電路開斷分為三個過程：

（1）第一個過程是迫使電流過零。

（2）第二個過程是恢復介質。

（3）第三個過程是吸收能量。直流斷路器介質恢復特點跟交流斷路器不一樣，其具有高頻介質恢復特點。采用自激型高壓直流斷路器，不僅簡單，且可靠，其無需任何控制系統(tǒng)和輔助設備。

2.2.2 第二，采用它激振蕩

跟自激振蕩類似，它激振蕩也是用相似的并聯(lián)輔助回路，不同的是，其回路電容會進行預充電。采用充電裝置在斷路器合閘時，對電容進行預充，使其具備一定電壓。斷路器收到跳閘命令之后，其觸頭分開，合上開頭，這時候，投入使用并聯(lián)回路，斷路器通過的正向電流和電容放電產生的反向電流之間進行疊加，從而出現(xiàn)一個變化電流。如果斷路器實現(xiàn)額定開距，那么變化電流在到達電流零點的時候會使電弧熄滅，從而將電流開斷。因為電路在投入使用后，短時間內會出現(xiàn)變換電流，并且到達電流零點，這時候斷路器的觸頭跟額定開距還有一定的差距，導致無法將電弧熄滅，而在達到額定開距之后，電流過零熄滅電弧，實現(xiàn)截流。

3 在特高壓直流開關中設備配置需要注意的問題

特高壓直流輸電工程常采用雙極系統(tǒng)接線方式。可根據實際情況，通過以下幾種斷路器來實現(xiàn)正常運行。直流開關設備操作時，也能保障檢修隔離、切除運行故障，有利于提高系統(tǒng)運行可用率和靈活性。

3.1 金屬回線轉換斷路器

其一般設置在接地極線回路中，從而從單極大地回線將直流電流轉換到單極金屬回線中，確保直流功率在轉換過程不出現(xiàn)輸送中斷的現(xiàn)象。如果直流功率輸送可中斷，那么可以不設置金屬回線轉換斷路器。值得注意的是，金屬回線轉換斷路器必須跟大地回線轉換開關聯(lián)合使用。大地回線轉換開關在合閘之后，執(zhí)行金屬回線轉換斷路器動作，并建立兩個并聯(lián)回路，分流直流電流，穩(wěn)態(tài)到達后，金屬回線轉換斷路器動作執(zhí)行轉換電流的操作，成功后，和金屬回線轉換斷路器串聯(lián)的隔離開關會被斷開，這樣金屬回線轉換斷路器便不需要承受持續(xù)電壓。

3.2 大地回線轉換開關

大地回線轉換開關一般設置在接地極線之間，主要是在不停運時，直接從單極金屬回線將直流電流轉換到單極大地回線。在大地回線轉換開關動作前，金屬回線轉換斷路器先合閘，建立并聯(lián)的金屬回路和大地回路，分流直流電流，在穩(wěn)態(tài)時，大地回線轉換開關開始動作，實現(xiàn)電流轉換，轉換后，跟大地回線轉換開關串聯(lián)的隔離開關會斷開，這樣大地回線轉換開關便不需要承受持續(xù)電壓。endprint

3.3 中性母線斷路器

如果單極計劃停止運行，換流器會在無投旁通對的時候閉鎖，直流電流達到零，中性母線斷路器在無電流時分閘，這是換流器內發(fā)生接地故障除外各種類型故障時，采用中性母線斷路器進行隔離的正常運行程序。如果正常雙極運行，只要某一極內產生接地故障，那么可以通過中性母線斷路器，將注入接地故障點的正常極直流電流，轉換到接地線路中。

3.4 雙極運行中性線臨時接地開關

該開關設置在換流站和中性線接地網之間，如果斷開接地極線路，那么由于電流不平衡，會導致中性母線升高電壓，為了避免出現(xiàn)雙極閉鎖，將高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，可以采用雙極運行中性線臨時接地開關合閘，來連接大地和重型母線，確保雙極運行，提高系統(tǒng)可用度。當故障導致接地引線斷開時，中性母線的電壓也無法控制，這時候雙極運行中性線臨時接地開關合閘可以將系統(tǒng)轉化為站內接地，并確保中性母線電壓變?yōu)榱汶娢弧＝拥匾€可以正常運行之后，打開雙極運行中性線臨時接地開關，將電流轉換到接地引線回路。

4 大地和金屬回路轉換過程

4.1 大地轉金屬回路

將金屬回線轉換斷路器和兩端刀閘合上，然后將跟金屬回線轉換斷路器并聯(lián)的刀閘斷開，再將大地回線轉換開關和兩端刀閘以及至極2刀閘合上，并聯(lián)運行金屬回路和單極大地，最后將金屬回線轉換斷路器斷開，實現(xiàn)轉換。

4.2 金屬轉大地回路

將金屬回線轉換斷路器和兩端刀閘合上，然后將跟金屬回線轉換斷路器并聯(lián)的刀閘合上，并聯(lián)運行金屬回路和單極大地，再將大地回線轉換開關和兩端刀閘以及至極2刀閘斷開，最后將金屬回線轉換斷路器和兩端刀閘斷開，實現(xiàn)轉換。

5 結語

目前，特高壓直流輸電方式在我國一般采取雙端網絡模式，存在傳輸方式單一的缺陷，如果有比較合適的特高壓直流斷路器，則有利于建立起安全可靠的直流多站系統(tǒng)以及系統(tǒng)之間的聯(lián)系，促使直流系統(tǒng)調節(jié)手段更加可靠，運行方式更加靈活。

（指導教師：趙乘麟）

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作者單位

邵陽學院 湖南省邵陽市 422000endprint