柔性電站用中壓直流快速隔離柜研究

付明志，秦 猛，孟憲樂，宋 波

（天津平高智能電氣有限公司，天津300300）

0 引言

隨著我國±500kV特高壓直流斷路器的成功研制，直流配電網(wǎng)作為新興配電網(wǎng)將快速發(fā)展，國家電網(wǎng)公司和那方電網(wǎng)公司都在積極推進(jìn)直流輸電和配電網(wǎng)示范工程建設(shè)［1］。典型的有張北±500 kV多端柔性直流電網(wǎng)示范工程，張北小二臺多端柔性變電站工程。直流斷路器成本過高，成為制約直流斷路器中低壓直流配電網(wǎng)和變電站的應(yīng)用的主要因素［2］。目前國內(nèi)高校和科研院所正在探索一條新的思路，采用直流快速隔離開關(guān)與電力電子變壓器或直流換流閥相結(jié)合來代替直流斷路器，實(shí)現(xiàn)直流電力系統(tǒng)故障分?jǐn)嗯c隔離功能［3］。電力電子變壓器作為可任意調(diào)節(jié)輸入輸出電壓等級、電能質(zhì)量的新型電力設(shè)備，越來越受到重視［4］。對于成本要求較高的中低壓直流配電網(wǎng)，研制出具備直流快速開斷能力且成本低廉的直流快速隔離開關(guān)柜十分必要，配合電力電子變壓器實(shí)現(xiàn)電能控制與調(diào)節(jié)［5］。

1 快速隔離柜電氣設(shè)計(jì)

快速隔離柜主要由磁控快速開關(guān)、儲能電容器、控制保護(hù)裝置、高壓PT與光CT、高壓隔離型晶閘管觸發(fā)電路、充電機(jī)、地刀、智能電能表、配電二次回路等組成。充電機(jī)負(fù)責(zé)給儲能電容器充電，保障電容器時(shí)刻保持帶電狀態(tài)。高壓PT和光CT用于采集直流系統(tǒng)的高電壓和系統(tǒng)電流。儲能電容用于存儲快速隔離開關(guān)分合閘所需要的電能。高壓隔離型晶閘管觸發(fā)電路用于將控制保護(hù)裝置下發(fā)的光觸發(fā)信號轉(zhuǎn)化成適合于晶閘管控制的電信號，控制晶閘管導(dǎo)通，驅(qū)動快速開關(guān)的分合閘控制操作。控制保護(hù)裝置用于快速隔離柜新新采集、快速開關(guān)的控制欲保護(hù)、與柔變控制保護(hù)系統(tǒng)和后臺控制保護(hù)系統(tǒng)通信以及控制保護(hù)邏輯與故障連鎖。

通過控制保護(hù)裝置的觸摸屏直接對充電機(jī)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)設(shè)定電壓以及參數(shù)讀取等。避免打開關(guān)高壓柜門等危險(xiǎn)的操作。光CT采用全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院研制的1 250 A直流電流傳感器，采樣頻率為16 kHz，通信數(shù)據(jù)長度55位，電流數(shù)長為24位，接受同步采樣脈沖控制。

2 快速隔離柜控制保護(hù)裝置

2.1 控制保護(hù)啊裝置硬件設(shè)計(jì)

張北多端口交直流混合變電站主要功能是將光伏電站發(fā)出的新能源直流電能升壓至±10 kV輸送到阿里巴巴數(shù)據(jù)港，阿里巴巴數(shù)據(jù)港對供電安全穩(wěn)定性要求極高，因此，快速隔離柜控制保護(hù)裝置按照特高壓直流輸電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 快速隔離柜控制保護(hù)裝置架構(gòu)

控制保護(hù)裝置外殼采用4U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，能夠起到屏蔽作用。觸摸屏采用7in低溫型彩色觸摸屏，屏幕在零下40℃以上可以正常工作。主處理芯片采用美國TI公司28377系列DSP，數(shù)據(jù)采集與觸發(fā)邏輯采用ALTERA公司颶風(fēng)系列FPGA來完成，并通過并行總線供DSP訪問。控制保護(hù)裝置具備2個(gè)以太網(wǎng)通信接口，2個(gè)光纖通信接口、3路485通信接口、1個(gè)B碼校時(shí)通信接口，以及多路DI、DO接口。控制保護(hù)裝置具備故障錄波功能，存儲介質(zhì)為SD卡。記錄系統(tǒng)電壓、電流、溫度、分合閘次數(shù)、遠(yuǎn)程控制指令等功能。對重要的信息可以長期保存功能，對于非重要數(shù)據(jù)可以進(jìn)行定周期循環(huán)更新。

2.2 控制保護(hù)裝置軟件設(shè)計(jì)

快速隔離柜的程序分為對外通信、信號采集與處理、晶閘管觸發(fā)控制、人機(jī)界面顯示與參數(shù)設(shè)置、故障綜合與保護(hù)、狀態(tài)判斷與分合閘控制等。分合閘控制是快速隔離柜最核心的控制過程，保證快速隔離柜和直流配電系統(tǒng)的安全。對外通信包括485通信、以太網(wǎng)通信和光纖通信。信號采集與處理程序主要是電壓、電流、溫度等物理信號采集、濾波與處理程序。晶閘管觸發(fā)控制程序主要完成晶閘管觸發(fā)信號的生成、驅(qū)動脈沖的整形與調(diào)節(jié)控制。人機(jī)界面程序包括液晶屏程序和DSP程序兩部分，通過RS232接口實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示與設(shè)置功能。故障綜合與保護(hù)程序主要完成對快速隔離柜狀態(tài)以及控制保護(hù)裝置狀態(tài)的判斷，綜合故障狀態(tài)，對分合閘操作進(jìn)行綜合保護(hù)。

分?jǐn)噙^程是直流系統(tǒng)快速開關(guān)的關(guān)鍵動作，分?jǐn)嗄芰κ强己丝焖僦绷鏖_關(guān)的重要技術(shù)指標(biāo)。斷路器和開關(guān)的大部分故障都發(fā)生在分?jǐn)嗖僮鬟^程，因此對快速隔離柜分?jǐn)嗫刂七M(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)±10kV雙極直流配電系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)和快速開關(guān)自身的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)分段過程子程序控制流程，如圖2所示。

圖2 分閘子程序邏輯圖

3 快速隔離柜試驗(yàn)

理論上，對于電磁快速開關(guān)來說，只要電容C預(yù)充電電壓足夠高，電容存儲的電能足夠大，放電線圈的電感盡可能小，開關(guān)與電磁機(jī)構(gòu)的距離足夠小，快速開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)超高速動作。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于各方面條件的限制和使用場合的要求，考慮到功能的可實(shí)現(xiàn)性，防止開斷速度太快引起觸頭彈跳甚至電弧重燃等因素，電容容值為2 000 uF，合閘電容電壓值620 V，分閘電容電壓值715 V。快速開關(guān)斥力盤與線圈初始距離為2 mm，動觸頭行程25 mm，絕緣拉桿半徑為25 mm。

在公司試驗(yàn)中心進(jìn)行直流快速隔離開關(guān)柜的開斷試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓為直流10 kV,測得試驗(yàn)曲線如圖3、4所示。分?jǐn)囗憫?yīng)時(shí)間為600 μs左右，完全分?jǐn)鄷r(shí)間為3.2 ms左右，回彈穩(wěn)定時(shí)間為1.1 ms左右，觸頭跳動回彈等在合理范圍之內(nèi)。直流快速隔離柜開斷過程滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)以及工程要求。合閘時(shí)間在4.1 ms左右，合閘曲線能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)及工程要求。

圖4 快速隔離開關(guān)合閘過程曲線

4 結(jié)論

通過以上分析及現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，快速隔離柜配合電力電子變壓器或直流換流閥能夠?qū)崿F(xiàn)替代直流斷路器的功能，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。本方案可以在5ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的快速隔離，保護(hù)直流供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2018年1月，該產(chǎn)品已成功應(yīng)用于張北小二臺阿里巴巴數(shù)據(jù)港創(chuàng)新中心的多端交直流混合柔性變電站項(xiàng)目。