高壓直流斷路器研究

戴欽來(lái) 朱 泉 沈慶赟 李小剛

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司）

0 引言

近年來(lái)，高壓直流輸電電路憑借其電路建設(shè)成本費(fèi)用較低、功能調(diào)節(jié)效果良好和運(yùn)行暢通、安全穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢(shì)，打敗了傳統(tǒng)模式下的交流輸電電路，在超高壓、大容量甚至遠(yuǎn)距離的直流輸電過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用，更進(jìn)一步憑借直流電網(wǎng)在高壓直流輸電、新能源應(yīng)用開發(fā)甚至軌道牽引市場(chǎng)以及未來(lái)智慧城市建設(shè)配網(wǎng)方面奠定了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。在此條件下，直流斷路器作為重要控制元器件設(shè)備，是高壓直流電網(wǎng)安全運(yùn)行和穩(wěn)定可靠的重要設(shè)備保證。然而，直流斷路器在現(xiàn)階段的技術(shù)尚不成熟，因此，對(duì)高壓直流斷路器常用性能進(jìn)行梳理和故障處理方案進(jìn)行研究有其強(qiáng)烈的理論意義和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

1 直流斷路器在直流系統(tǒng)中的功能要求

直流斷路器在直流斷路系統(tǒng)中的功能要求主要包括中性母線斷路器功能、中性母線接地?cái)嗦菲鞴δ堋⒔饘倩芈忿D(zhuǎn)換斷路器功能和大地回路轉(zhuǎn)換斷路器功能四大部分。就中心母線斷路器功能需求而言，在直流系統(tǒng)具備兩端換流器的基礎(chǔ)上，由于換路器兩端都含有一臺(tái)中性母線斷路器設(shè)備，而該斷路器設(shè)備能夠滿足高壓直流斷路系統(tǒng)在換流站和直流輸電線上發(fā)生任何故障快速斷開的需要。同時(shí)，中性母線斷路器設(shè)備的開斷裝置能夠完美實(shí)現(xiàn)閉合、分開和閉合的無(wú)限操作循環(huán)，也就是說(shuō)，中性母線斷路器設(shè)備斷開裝置能夠建立閉合、分開、閉合的循環(huán)操作模式，加強(qiáng)對(duì)操作機(jī)構(gòu)的充電，避免斷路器在轉(zhuǎn)換失敗或電機(jī)電量不足等諸多狀況下的直流電路斷開功能故障，以此確保中性母線斷路器設(shè)備開斷裝置可靠實(shí)現(xiàn)閉合功能。

2 直流斷路器的主要性能

2.1 絕緣性能

直流斷路器的絕緣性能主要包括額定運(yùn)行電壓狀況和絕緣水平以及絕緣強(qiáng)度等。一般而言，直流斷路器額定運(yùn)行電壓主要是指在直流斷路系統(tǒng)中，斷路器在規(guī)定的正常使用條件下，能夠完成連續(xù)運(yùn)行功能和確保直流斷路器其他性能完美實(shí)現(xiàn)的額定電壓。通常情況下，直流斷路器額定運(yùn)行電壓為1～100kV。同時(shí)，直流斷路器的絕緣水平以及絕緣強(qiáng)度考核指標(biāo)除了額定短時(shí)工頻耐受電壓外，更進(jìn)一步加入了額定沖擊耐受電壓為取值判斷標(biāo)準(zhǔn)，判斷直流電路器的絕緣性。

2.2 電流轉(zhuǎn)換性能

直流斷路器的電流轉(zhuǎn)換性能主要是為了改變直流斷路系統(tǒng)中斷路器的運(yùn)行方式，一般而言，在外界環(huán)境無(wú)冷卻的基本條件下，MRTB和ERTB具備連續(xù)轉(zhuǎn)換兩次電流的轉(zhuǎn)換能力。也就是說(shuō)，該兩類直流斷路器能夠在電路分閘后的電弧不熄滅期間快速使斷路器重新合閘后再進(jìn)一步分閘。對(duì)于被保護(hù)的直流斷路系統(tǒng)斷路器而言，中性母線斷路器和中性母線接地?cái)嗦菲髂軌驖M足直流斷路系統(tǒng)的一次轉(zhuǎn)換功能，而該類直流斷路系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換性能是根據(jù)不同斷路器的交流性能要求所實(shí)現(xiàn)的，斷路器轉(zhuǎn)移額定電流次數(shù)的能力，也就是斷路器的實(shí)際電壽命，往往是由具體的直流輸電系統(tǒng)和直流輸電工程運(yùn)行能力及運(yùn)行要求確定的，該值一般不低于1000次。

2.3 環(huán)境耐受性能

直流斷路器在周圍外界環(huán)境條件下安全穩(wěn)定運(yùn)行的功能狀態(tài)，也就是直流電路器系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境的耐受性。該類周圍環(huán)境條件主要包括海拔高度、環(huán)境溫度、環(huán)境污穢等級(jí)三大部分。就環(huán)境溫度問(wèn)題而言，直流電路器周圍環(huán)境溫度過(guò)低，往往會(huì)使直流斷路系統(tǒng)中斷路器的潤(rùn)滑油黏度不斷增加，直接影響直流斷路器的分閘和合閘速度，還會(huì)進(jìn)一步使直流斷路器的潤(rùn)滑油中部分氣體液化，將大幅度降低直流斷路系統(tǒng)的開斷性能。周圍溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致直流斷路系統(tǒng)導(dǎo)電回路溫度不斷升高，使斷路器潤(rùn)滑油中的部分氣體壓力隨之增大，影響直流斷路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 基于高壓直流斷路器的直流故障處理方案

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通常情況下，為了克服直流電路故障系統(tǒng)處理方案的缺陷，可借助組合式高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改善直流電輸送功能。以高壓直流斷路器單極結(jié)構(gòu)的直流輸電系統(tǒng)為例，該輸電模式下的直流斷路器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主短路部分如下圖所示，該類組合往往分為主斷路器部分和分?jǐn)嗦菲鞑糠帧Ｆ渲校鲾嗦菲鞑糠种饕ǘ搪肥綌嗔鏖_關(guān)以及隔離開關(guān)，分?jǐn)嗦菲鞑糠謩t主要包括直流系統(tǒng)中的電流轉(zhuǎn)移開關(guān)、超快速機(jī)械開關(guān)以及輔助放電電路三大部分。在該模式的高壓直流斷路器直流故障處理過(guò)程中，主動(dòng)短路式斷流開關(guān)是該組合直流斷路系統(tǒng)的重要核心設(shè)備，直接決定了該直流系統(tǒng)的斷路器開斷能力。與傳統(tǒng)模式下的混合式直流斷系統(tǒng)的主斷路器功能相似，該系統(tǒng)中的主動(dòng)短路式斷流開關(guān)可借助多開關(guān)單元串聯(lián)方式體現(xiàn)斷路器功能結(jié)構(gòu)。但與傳統(tǒng)模式下的混合式直流斷路器系統(tǒng)不同的是，組合狀態(tài)下的主斷路器能利用主動(dòng)短路式斷流開關(guān)所具備的單項(xiàng)斷流能力，使其在同等斷流性能下所需的單向串聯(lián)IGBT個(gè)數(shù)大幅度減小，以此確保主動(dòng)斷路式斷流開關(guān)運(yùn)行過(guò)程中兩側(cè)的電壓差和設(shè)計(jì)斷流能力符合功能標(biāo)準(zhǔn)。

圖 直流斷路器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主短路部分

3.2 直流故障處理策略

組合式高壓直流斷路器系統(tǒng)的直流故障處理過(guò)程主要包括以下四個(gè)部分，首先，在高壓直流斷路系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在同一時(shí)刻檢測(cè)到故障電流的存在，并主動(dòng)立即開啟主動(dòng)式斷流開關(guān)以及輔助開關(guān)，以施加閉合信號(hào)方式完成整個(gè)接地故障信號(hào)的接受與處理過(guò)程，開關(guān)的閉合能使直流斷路高壓系統(tǒng)連接處的電壓快速下降為零，使換流器直流側(cè)所流出的電流分別流入故障點(diǎn)和輔助放電電路點(diǎn)，以主動(dòng)斷路式斷流開關(guān)的等效電阻值大小為標(biāo)準(zhǔn)，完成電流分配過(guò)程。在短暫延遲后，在t1時(shí)刻對(duì)直流電路系統(tǒng)的電流進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)移，并對(duì)開關(guān)內(nèi)部的IGBT釋放關(guān)閉信號(hào)，使電流迅速下降為零，該情形下的換流器兩側(cè)所流出電流僅僅流入主動(dòng)式斷路開關(guān)，實(shí)現(xiàn)高壓直流線路中故障點(diǎn)和換流器之間的初步隔離。緊接著，電流轉(zhuǎn)移開關(guān)開啟并完成電流開斷。其中，對(duì)高壓直流電路系統(tǒng)中的超快速機(jī)械開關(guān)施加開斷信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)高壓直流系統(tǒng)中換流器和故障線路的物理隔離。最后，在超快速機(jī)械開關(guān)打開后的t2時(shí)刻，對(duì)主動(dòng)斷路式斷流開關(guān)中的IGBT施加關(guān)閉信號(hào)，使整個(gè)高壓直流電路系統(tǒng)的剩余能量能借助開關(guān)內(nèi)部避雷器泄放，完成整個(gè)高壓直流電路故障處理過(guò)程。

3.3 故障檢測(cè)及保護(hù)策略

在組合式高壓直流斷路系統(tǒng)所提出的直流斷路器方案基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出了具備直流故障清除能力的換流站控制方法，對(duì)高壓直流電路系統(tǒng)故障區(qū)域進(jìn)行快速檢測(cè)和及時(shí)故障消除，實(shí)現(xiàn)高壓直流斷路系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和功能實(shí)現(xiàn)。在通常情況下，高壓直流斷路器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架空線路選擇的是具備保護(hù)策略的全線速動(dòng)功能，以此區(qū)別高壓直流開關(guān)事故、交流側(cè)事故、換流器故障等地區(qū)以外事故，以此避免故障檢測(cè)失誤而導(dǎo)致的高壓直流斷路系統(tǒng)功能檢測(cè)失敗。與傳統(tǒng)模式下的直流電路系統(tǒng)輸電方式保護(hù)方案相類同，組合式的高壓直流斷路器在整個(gè)系統(tǒng)輸電過(guò)程中所采用的行波保護(hù)、電流縱差保護(hù)以及微分欠電壓保護(hù)方式等，具備動(dòng)作性能快速便捷且不需遠(yuǎn)程通信等諸多優(yōu)勢(shì)，能進(jìn)一步以高壓和低壓轉(zhuǎn)換后的低電壓保護(hù)模式和電流縱橫差保護(hù)模式等作為高壓電路直流斷路系統(tǒng)的后備保護(hù)措施，確保對(duì)高壓直流斷路器直流故障的快速處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在梳理高壓直流斷路器在直流系統(tǒng)中的功能需求以及主要性能的基礎(chǔ)上，對(duì)基于高壓直流斷路器的直流故障處理方案中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障處理策略以及故障檢測(cè)和保護(hù)策略等進(jìn)行全面梳理，在保證高壓直流電路系統(tǒng)故障處理速度和安全穩(wěn)定的基本前提下，大幅度降低故障設(shè)備投入以及不斷提高經(jīng)濟(jì)效益等，也為改善高壓直流電路系統(tǒng)故障處理技術(shù)帶來(lái)了更多思考。