直流開關設備在換流站中的應用

古王榮，王浩

(1.西安西電高壓開關有限責任公司 陜西 西安 710077；2.西安西電電力系統有限責任公司,陜西 西安 710077)

直流開關設備在換流站中的應用

古王榮1，王浩2

(1.西安西電高壓開關有限責任公司 陜西 西安 710077；2.西安西電電力系統有限責任公司,陜西 西安 710077)

為了適應直流輸電的快速發展，設計開發了相應的直流轉換開關和直流旁路開關設備，目前已經在國內大量應用。本文介紹了這種直流開關設備的工作原理、結構參數及應用等有關內容，該產品的開發及應用將為我國直流輸電的發展做出重大貢獻。

直流輸電；直流轉換開關；直流旁路開關

1 引言

近年來，高壓直流輸電技術在世界范圍內得到了廣泛應用,在此基礎上進一步發展的特高壓直流輸電工程，目前也已經成功投產，穩定運行。

直流輸電和傳統的交流輸電相比，具有以下優點：①直流輸電架空線路只需正負兩極導線、桿塔結構簡單、線路造價低、損耗小；②直流電纜線路輸送容量大、造價低、損耗小、不易老化、壽命長，切輸送距離不受限；③直流輸電不存在交流輸電的不穩定性問題，直流輸電線路無電容充電電流，直流線路無電容充電電流，電壓分布平穩，負載大小不發生電壓異常不需并聯電抗。并且調節速度快，運行可靠，有利于遠距離大容量送電；④直流輸電有利于實現電力系統之間的聯網；⑤直流輸電有功功率和無功功率容易控制，可以改善交流系統的運行性能；⑥可以利用大地為回路，提高運行可靠性；⑦直流輸電可以方便的分期建設和增容，有利發揮投資效益。

雖然直流輸電在我國發展較晚，但因為其特有的優點，受到國家的大力支持，使其發展迅猛，并且電壓等級也逐漸提高，現已達到國際領先水平。在開始階段直流開關設備主要依靠進口，根據國家要求關鍵設備國產化的要求，國內廠家也積極開發同類產品，但是由于開發難度大、投資大，國內只有較少廠家能夠生產該類產品，依托西電集團公司在電力行業強大技術優勢和制造基礎，西安西電高壓開關有限責任公司(以下簡稱西開有限公司)最早在國內開發和制造直流轉化開關和旁路開關的廠家，并且生產的產品在國內的換流站中大量應用。

2 直流轉換開關

高壓直流輸電系統中，一般配置有4 種高壓直流轉換開關，分別是金屬回線轉換開關(metallic return transfer breaker，MRTB)、大地回線轉換開關(earth return transfer breaker，ERTB)、中性母線開關(neutral bus switch，NBS)和中性母線接地開關(neutral bus grounding switch，NBGS)。

圖1 轉換開關在高壓直流輸電中的位置

其中，MRTB將直流電流從大地回路轉換到金屬回線通路的開關設備，ERTB將直流電流從金屬回線通路轉換到大地回路通路的開關設備，NBS安裝在換流站站內接地線上，用于把停運的換流橋與中性母線斷開的開關設備，NBS還應把直流極線故障所產生的故障電流轉換到由接地極及其引線構成的回路中。NBGS安裝在換流站站內接地線上，用于提供站內臨時接地的設備，NBGS最重要的作用是最為一個快速合閘開關；另外在NBS轉換失敗(開斷不成功)時，NBGS也可提供暫時的大地回路通路。

2.1 運行方式轉換

(1)正常雙極運行時，雙極兩端中性點接地，NBS11、NBS12、NBS21、NBS22、MRTB閉合,ERTB、NBGS11、NBGS12斷開,電流回路見圖2，直流電流的路徑為正負兩根導線，電流方向相反，雙極對稱運行時，接地極中無電流流過，雙極不對稱運行時，兩極中的電流不相等，接地極中電流為兩極電流之差。

圖2 雙極兩端中性點接地運行方式

(2)當換流閥V13、V14出現故障或需要檢修時，NBS12、 NBS22、S16、S26斷開，把停運的換流橋與中性母線斷開,轉入單極大地回線運行方式，電流回路見圖3。

(3)單極大地回線運行方式轉為單極金屬回線運行方式。

①由于單極大地回線運行方式會對接地極對附近金屬構件產生電化學腐蝕作用，一般情況下，不能長期運行，需要轉換為單極金屬回線運行方式，按順序打開S18、S28，閉合S17、S27、S15、S25、ERTB,使極Ⅱ導線和大地回線并聯連接，此時并聯回路中的電流和電阻呈反比，電流回路見圖4。

圖3 單極大地回線運行方式

圖4 大地回線和金屬回線并聯運行

②斷開MRTB、S13、S23,將大地回線中的電流轉移到金屬回線中，電流回路見圖5。

圖5 單極金屬回線運行方式

(4)單極金屬回路運行方式轉為雙極兩端中性點接地運行方式

在V13、V14換流閥檢修完成后，需要從金屬回路運行方式轉為正常運行方式，該運行方式的轉換和雙極兩端中性點接地運行方式轉為金屬回線運行方式的操作過程相反。先閉合S13、S23、MRTB，電流回路見圖4,打開ERTB、S15、S25、S17、S27，閉合S18、S28，電流回路見圖3,閉合S16、S26、NBS12、NBS12，電流回路見圖2，轉換到雙極兩端中性點接地運行方式。

MRTB 和ERTB均為轉換開關，但與通常的運行條件有所不同，它斷開直流電流的過程在兩各帶線的并聯回路中，將一個回路斷開，使其電流全部轉移到另一回路的過程。通常大地回路的電阻很小，金屬回路的電阻取決于輸電線路導線的截面和長度。因此MRTB因其回路電阻小而需要開斷較大的直流電流，而GRTS因其回路電阻大，需要開斷的直流電流較小。

2.2 直流轉換開關與直流電流的分斷

目前，應用在高壓直流輸電系統中的直流轉換開關主要采用兩種方式來實現，即無源型自激振蕩過零和有源型強迫振蕩過零。相比之下，有源型直流轉換開關更容易分斷較大的直流電流，但無源型直流轉換開關結構更為緊湊，造價較低，易于使用和維護，可靠性高，因此更具優勢。

無源型直流轉換開關的基本構成如圖6所示。

圖6 無源型直流轉換開關電路圖

圖6中,B 為高壓交流SF6斷路器，L 為電抗器，C 為電容器，三者共同組成振蕩回路；MOA為ZnO 避雷器，用以限制開關兩端的過電壓。無源疊加震蕩方式是利用電弧電壓隨電流增加而下降的非線性負電阻效應，在與電弧間隙并聯的LC回路中產生自激震蕩，使電弧電流疊加上增幅震蕩電流，當總電流過零時開斷。

2.3 主要技術參數

根據我國的直流電網布置，西開公司目前主要有兩種直流轉換開關，±50kV、±100kV、±150kV產品，±50kV直流轉換開關主要用于±500kV及以下換流站，±100kV/150kV直流轉換開關主要用于±800kV及以上換流站。

表1 主要參數

2.4 產品結構

為了實現轉換電流的功能，MRTB,NBS,GRTS產品功能接近，所以結構也類似，主要由開斷裝置和震蕩回路組成，開斷裝置為了提高開斷性能，一般采用雙斷口結構，震蕩回路中的電抗器、電容器、避雷器的數量和參數根據實際回路需要配置，在實際工程應用中有些差異。

1-開斷裝置;2-絕緣平臺;3-電抗器;4-電容器;5-避雷器圖7 ZZLW1-50直流轉換開關MRTB

1-開斷裝置;2-絕緣平臺;3-電抗器;4-電容器;5-避雷器圖8 ZZLW2-100直流轉換開關MRTB

NBGS是為了實現快速接地功能，所以結構比較簡單，特別要求合閘速度快，合閘時間短。

2.5 產品應用

ZZLW1-50直流轉換開關是我國最早自主研發的直流轉換開關設備，該產品在國內±500kV直流換流站應用較廣泛，包括在我國第一條運行的±500換流站葛-南線的葛洲壩換流站；隨后又自主設計開發的ZZLW2-100直流轉換開關，目前在新建的±800浙-溪線的金華站換流站也有應用。

1-滅弧室;2-支柱;3-機構及底架 圖9 ZZLW2-100直流轉換開關NBGS

圖10 葛洲壩站 ZZLW1-50直流轉換開關(MRTB)

圖11 葛洲壩站 ZZLW1-50直流轉換開關(ERTB)

圖12 拉薩站 ZZLW1-50 直流轉換開關(NBS)

圖13 金華站的ZZLW2-100直流轉換開關NBGS

圖14 ZZLW2-100直流轉換開關(MRTB)

3 直流旁路開關

3.1 直流旁路開關的作用

在特高壓直流系統中，旁路開關有以下兩個主要作用：退出正在運行的12P 換流橋，且不影響剩余換流橋的正常運行;將閉鎖的12P 換流橋重新投入運行，且不影響已經投運的換流橋的正常功率輸送。

圖15 旁路開關在直流系統的位置

由此可知，旁路開關的使用增加了特高壓直流系統的運行方式，減少了任何一個單極完全停運的次數，從而提高了直流輸電系統的可靠性和能量可利用率。

當旁路開關所并聯的12P換流橋正常運行時，旁路開關處于分閘狀態，當12P換流橋或附屬系統發生故障，或者由于計劃檢修的需要，通過旁路開關和相關隔離開關的配合操作，將此12P換流橋和對站的一個12P換流橋退出運行，以便對需要檢修的換流橋隔離，同時保證本極健全的12P換流橋繼續運行。當換流橋修復完成后，再通過旁路開關和相關隔離開關的操作，使兩站的兩個12P換流橋重新投入運行。

對于雙極額定直流功率運行工況，如果未安裝旁路開關，當一個12P換流橋因故障或檢修退出運行時，該換流橋所在的整個單極將會停運，直流功率損失為50%。

3.2 操作時序

直流旁路開關實現上述兩個作用，需完成以下操作時序。

(1)旁路開關合閘，使并聯的正常運行的12P換流橋閉鎖退出運行。初始狀態見圖16，旁路開關在分閘狀態，電流僅流過換流橋。由于故障或檢修需要，投旁通對閉鎖12P 換流橋，旁路開關合閘，此時系統狀態見圖17，直流電流同時流過換流橋和旁路開關。閉鎖旁通對的觸發脈沖，直流電流僅流過旁路開關支路，系統狀態見圖18。依次合S1、分旁路開關、分S2 和S3，此時系統狀態見圖19。旁路開關合閘、退出換流橋的操作時序過程中，系統狀態變化依次為：圖12→圖13→圖14→圖15。

圖16 直流電流僅流過換流閥

圖17 直流電流同時流過換流閥和旁路開關

圖18 直流電流僅流過旁路開關

圖19 直流電流僅流過隔離開關S1

圖中：S1、S2、S3 為隔離開關，BPS12 為旁路開關。

(2)旁路開關分閘，使并聯的處于閉鎖狀態的12P換流橋解鎖重新投入運行。12P換流橋在閉鎖狀態，電流流過S1支路，系統狀態見圖19。S2和S3合閘，然后旁路開關合閘，S1分閘，直流電流流過旁路開關，系統狀態見圖18。12P換流橋解鎖，直流電流同時流過換流閥和旁路開關，系統狀態見圖17。給旁路開關發分閘指令，旁路開關在電流過零時刻熄弧，開斷成功，系統狀態見圖16。旁路開關分閘，使處于閉鎖狀態的12P換流橋解鎖重新投入運行的過程中，系統狀態變化狀態依次為：圖15→圖14→圖13→圖12。

3.3 主要技術參數

前西開有限公司已經開發完成的旁路開關產品有ZPLW-816、ZPLW-408、ZPLW-1100、ZPLW-550。

表2 技術參數

3.4 產品結構及外形

直流轉換開關的主要特點是通流能力大，合閘速度快，所以需要對機構及傳動特殊設計，產品一般采用雙斷口結構的柱式斷路器。

1-滅弧室;2-支柱;3-機構及底架圖20 ZZLW-816直流旁路開關

圖21 ZPLW-1100kV直流旁路開關

圖22 ZPLW-816kV直流旁路開關

4 結語

直流轉換開關和直流旁路開關是特高壓直流輸電系統中的關鍵設備之一，主要用于進行直流輸電系統各種運行方式及接地系統的轉換等，在保證直流輸電系統安全穩定運行中發揮著重要作用。直流輸電特有的優勢，使得直流輸電發展迅速，直流開關設備也有比較好的前景。

[1] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

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Application of DC Switchgear in the Convertor Station

GU Wang-rong1,WANG Hao2

(1.Xi′an XD High Voltage Switch,Co,Ltd,Xi′an 710077,China;2.Xi′an XD Power System Co.,Ltd.,Xi′an 710077,China)

In order to suit rapid development of DC transmission,design and develop corresponding DC change-over switch and DC bypass switchgear.At present, they have been used in our country.The paper presents the operation principle of this kind of switchgear,constructure parameters and application.The devecopment and application of the product will contribute to our DC transmission.

DC transimission;DC change-over switch;DC bypass switch

1004-289X(2017)01-0079-06

TM72

B

2015-11-25