混合式直流斷路器快速機械開關特性研究及應用

劉亞萍，陳軍平，方春恩，劉夢琦

(1.國網經濟技術研究院有限公司,北京市102209；2.成都旭光電子股份有限公司，成都市 610500；3.西安西電電力系統有限公司，西安市 710065)

0 引 言

國家“十四五”發展規劃確定了大力發展“綠色、低碳”新能源的指導方針。大型風電、新型光伏發電行業迅猛發展壯大，并網消納此類新能源迫切需要開發研究柔性直流輸電新技術及新設備。本文依托張北柔性直流電網試驗示范工程，研究開發了±500 kV混合式直流斷路器的核心設備——高壓大電流快速機械開關。張北柔性直流電網試驗示范工程是世界首個直流電網重大科技示范工程，也是實現清潔能源大規模并網、踐行綠色冬奧理念的標志性工程，已于2020年6月投運[1]。張北柔性直流輸電工程(以下簡稱“張北工程”)額定電壓為±500 kV，總換流容量為900萬kW，建設張北、康保、豐寧和北京4座換流站，其中張北、康保換流站作為送端與大規模清潔能源直接相連，豐寧站作為調節端接入電網并連接抽水蓄能電站，北京站作為受端接入首都負荷中心[2-4]。張北工程4個換流站均采用多電平半橋子模塊結構和架空線路設計，當輸電線路發生短路接地故障時，半橋子模塊的橋接二極管無法阻斷短路電流故障，所以必須采用高壓直流斷路器來對故障電流進行切除[5]。張北工程在每個換流站的直流側均裝設±500 kV高壓直流斷路器，從而避免單極接地故障導致全站停運等嚴重后果[6]。

目前，根據拓撲原理的不同可以將高壓直流斷路器分為機械式直流斷路器、固態式直流斷路器以及混合式直流斷路器3種[7-20]。機械式直流斷路器是利用傳統交流機械開關，通過人工電流過零點來熄滅電弧，完成直流開斷，開斷時間較長；固態式直流斷路器是利用電力電子開關器件串并聯來實現大電流的開斷，導致導通損耗大。因此這2種直流斷路器應用均受到限制。混合式高壓直流斷路器綜合了以上兩種直流斷路器的優點，具備了通態損耗低、故障切除快和無需大容量冷卻設備等優點已逐漸成為柔性直流輸電的首選。

本文結合配套應用于張北柔性直流電網試驗示范工程的額定直流電壓500 kV、額定電流3 000 A的混合式高壓直流斷路器，系統研究高電壓大電流快速機械開關的技術性能，制定快速開關的總體及各支路設計方案。

1 快速機械開關的性能要求

柔性直流輸電系統正常運行時，電流流過快速機械開關和輔助電流轉移開關，轉移支路的電力電子開關處于關斷狀態。當柔性直流系統突發短路故障時，短路電流急速暴漲至數十千安，造成設備嚴重損毀，甚至引發火災。直流斷路器必須在2 ms內快速分斷故障電流。快速分斷過程包含以下步驟：首先轉移支路電力電子開關導通，關斷主支路輔助電流轉移開關，故障電流全部快速轉移到轉移支路，輔助電流轉移開關承受轉移支路的導通電壓(一般小于1 kV)。當流過主支路的快速機械開關的電流為0時，觸發機械開關快速分閘，當分閘到耐受系統暫態開斷電壓的絕緣開距時，轉移支路的電力電子開關關斷，線路系統的能量通過耗能支路的氧化鋅避雷器吸收，電流快速下降，從而切除故障[15]。混合式直流斷路器快速分斷全過程及其電氣特性如圖1所示。

根據上述短路電流快速分斷過程分析可知，柔性直流系統對混合式直流斷路器快速機械開關提出了極高的電氣機械性能要求：

1)快速性要求：直流斷路器要求快速機械開關在2 ms內運動到耐受暫態開斷電壓的絕緣距離，對開關動作速度和抗沖擊能力提出了極高要求；為此，必須針對開關主斷口、斥力機構等組件特點采取特定的設計方案和提出針對性的防沖擊措施。

2)動態耐壓性能要求：短路開斷過程中暫態開斷電壓可達系統電壓的1.6倍，對于張北工程，為800 kV，該電壓持續時間可達數十毫秒。由于快速機械開關與耗能支路并聯，必須耐受上述嚴酷的沖擊電壓應力。不僅如此，與常規靜態耐壓不同，快速機械開關在承受此沖擊電壓時剛達到有效開距，且斷口的觸頭仍然處于運動過程中。因此，該沖擊電壓考驗開關的動態耐壓性能，對斷口的動態絕緣提出了較高的設計要求。

3)長期通流可靠性要求：張北工程直流斷路器要求額定直流電流為3 000 A，最大連續直流電流為3 300 A，因此對長期通流可靠性提出了較高要求。

2 快速機械開關原理及結構

2.1 總體方案

混合式直流斷路器開斷后，快速機械開關端間不僅需要耐受系統直流工作電壓，而且還需耐受額定雷電沖擊和操作沖擊電壓。因此，快速機械開關耐壓越高，則要求開關動靜觸頭的開距越大，對于500 kV機械開關，觸頭開距可達上百毫米。另一方面，快速機械開關的對地絕緣通常通過真空滅弧室與操動機構之間的絕緣拉桿實現，電壓等級越高，絕緣拉桿越長，從而導致開關運動部分質量越大。因此，過大的觸頭開距和運動部分質量都會顯著增加快速機械開關的分閘時間，從而嚴重影響混合式直流斷路器的開斷性能。為了解決快速機械開關的開距和運動質量對快速性的影響，快速機械開關采用如圖2所示的多斷口真空開關串聯均壓和開關高電位放置方案。

圖2 多斷口串聯快速機械開關Fig.2 Fast mechanical switch with multiple breaks

2.2 快速機械開關模塊

快速機械開關設計方案如圖3所示，其主要部件包括：真空滅弧室、雙穩彈簧保持機構、電磁斥力機構、驅動桿和緩沖裝置等。為減小傳動過程帶來的影響，快速機械開關模塊采用直動式機構。真空滅弧室的作用是長期導電通流和承受故障切除過程中耐受暫態開斷電壓；雙穩彈簧保持裝置的作用是將真空滅弧室的動觸頭保持在合分閘極限位置，并提供保持力；驅動桿的作用是實現真空滅弧室動觸頭與操動機構連接；電磁斥力機構主要提供快速機械開關高速合分閘所需的動能；阻容均壓裝置主要實現串聯多斷口之間的靜態和動態均壓。

圖3 快速機械開關設計方案Fig.3 Design scheme of fast mechanical switch module

3 快速機械開關設計

3.1 斥力機構設計

直流系統短路故障發展迅速，要求混合式直流斷路器必須在3～5 ms內切斷短路故障電流，機械開關應在2 ms內快速分閘至耐受故障切除過程中暫態分斷電壓的絕緣距離。這就要求機械開關必須采用傳遞效率高的快速操動機構，而電磁斥力機構就能滿足此要求。

快速機械開關模塊采用的電磁斥力機構的結構如圖4所示。

圖4 電磁斥力機構Fig.4 Electromagnetic repulsion actuator

電磁斥力機構分閘過程工作原理：當晶閘管S導通后，儲能電容器C向分閘線圈放電產生脈沖電流icoil，該電流在線圈周圍產生交變磁場，金屬盤由于磁場的作用感應出反向的渦流ieddy，感應渦流產生的磁場與分閘線圈產生的磁場產生巨大的電磁斥力F，從而推動金屬盤運動，進而帶動傳動桿以及真空滅弧室的動觸頭高速運動，實現快速分閘操作。合閘過程原理類似。為保護驅動回路電容器，在儲能電容器兩端并聯續流二極管D，可以防止電流對儲能電容反向充電，同時續流二極管起導通和續流作用，有效延長分閘線圈電流作用時間，保證電磁斥力機構中后期仍有充足的出力，進而提高操動機構放電功率的利用效率，更有利于分閘。

根據斥力機構工作原理，金屬盤受到的電磁斥力為[12-14]：

(1)

式中：i0為勵磁線圈電流；i1為金屬盤中的感應渦流；M為線圈與金屬盤之間的互感；x為運動位移。

快速機械開關的機械運動方程為：

(2)

式中：Ff為斥力機構受到的反力(包括運動時的摩擦力和真空滅弧室自閉力、彈簧反力)；m為運動部分質量；v為觸頭運動速度；a為開關觸頭運動加速度；s為開關觸頭運動位移。

電磁斥力機構采用雙穩彈簧保持裝置，雙穩態彈簧具有良好的機械穩定性，通過對彈簧剛度、預壓縮量和連桿尺寸進行選取，可對操動機構保持力的大小進行調整，進而獲得快速機械開關分合閘位置的有效保持力。當電磁斥力機構分閘時，雙穩彈簧越過中點之前對分閘起阻礙作用；當雙穩彈簧越過中點之后對分閘操作提供動力，合閘過程原理類似。電磁斥力機構采用的雙穩態彈簧保持裝置結構及工作原理如圖5所示。

圖5 雙穩彈簧保持裝置Fig.5 Bi-stable spring hold mechanism

雙穩彈簧保持裝置在動作過程中，其作用力是非線性變化的，因此將其形變受力曲線近似為橢圓計算，根據能量守恒可得運動過程受力為：

(3)

式中：Fx為彈簧力在垂直方向的分量；Fe為連桿處于中間水平位置時的彈簧力；l為連桿長度；k為彈簧剛度；x′為觸頭運動位移；lac為a和c兩點之間的距離，等于快速機械開關觸頭開距的1/2。

在Ansoft Maxwell電磁場仿真軟件建立圖6所示快速機械開關有限元模型，并對快速機械開關分閘動態特性進行仿真優化設計，最終得到機構參數如表1所示，分閘動態特性如圖7所示。

圖6 斥力機構有限元模型Fig.6 FEM model of the electromagnetic repulsive mechanism

表1 斥力機構參數Table 1 Parameters of electromagnetic repulsion mechanism mm

從圖7仿真波形可知，經過優化設計后的快速機械開關在接到分閘命令后2 ms觸頭運動距離大于12 mm，滿足耐受暫態開斷電壓要求，同時優化后線圈電流峰值小，產生的電磁力更大，提高了斥力機構能量轉換效率。

圖7 快速機械開關分閘仿真波形Fig.7 Opening waveforms of the fast mechanical switch

3.2 固封極柱設計

圖8所示為快速機械開關的環氧固封極柱，采用環氧樹脂自動壓力凝膠成型工藝將真空滅弧室、上出線座和下出線座載流元件封裝成一個整體，兼顧絕緣和機械支撐作用，減少快速機械開關模塊的零部件和體積。固封極柱選用性能優異的環氧樹脂，保證了產品的機械、電氣和耐熱老化等性能，具有真空密封性能好、絕緣性能可靠、耐高低溫和高機械沖擊性能等優點。

圖8 環氧固封極柱Fig.8 Epoxy resin sealed pole

由于快速機械開關瞬時分閘速度可達10 m/s以上，是常規交流高壓開關的8～10倍，因此對真空滅弧室動觸頭的材料、內部結構強度都提出較高要求，需強化設計提高真空滅弧室和環氧固封極柱的機械壽命及可靠性。環氧固封極柱主要從以下幾個方面進行特殊設計：

1)針對快速機械開關的額定直流工作電流和長期連續最大工作電流導致真空滅弧室動導電桿與固封極柱引出線之間的損耗增加和溫升問題，在固封極柱的上出線座和下出線座采用前后對稱方式設計，并且固封極柱背面的上出線座和下出線座安裝銅材質散熱器，加強輻射和對流散熱；同時增大固封極柱上出線座和下出線座與銅排之間的搭接面積。通過以上設計，保證快速機械開關模塊的主回路電阻小于20 μΩ，溫升小于45 K。

2)針對快速機械開關高速合分閘要求，真空滅弧室導電桿采用無氧銅，且導電桿內設計了40Cr鋼芯，并對鋼芯進行調質處理，增加其機械強度；另外，為了避免真空滅弧室的導電桿增加鋼芯后對通流和溫升影響，增大了真空滅弧室的動導電桿直徑和有效面積。

3)針對快速機械開關的機械沖擊，真空滅弧室的觸頭材料充分考慮其導電性和機械強度，觸頭材料采用真空電弧熔煉工藝。

4 性能試驗及工程運行

4.1 性能試驗

張北工程500 kV混合式直流斷路器用快速機械開關采用9個斷口串聯均壓實現，每個快速機械開關單元模塊的主要參數如表2所示。

表2 快速機械開關模塊技術參數Table 2 Parameters of fast mechanical switch module

針對混合式直流斷路器對快速機械開關的快速性能要求，對開關模塊的快速性進行測試，采用激光位移傳感器檢測開關觸頭運動位移，采用數字存儲示波器和輔助傳感器檢測開關分閘絕緣到位時間，圖9所示為快速機械開關模塊的分閘性能測試波形。

圖9 快速機械開關分閘性能測試Fig.9 Testing waves of fast mechanical switch’s opening

為了測試快速機械開關2 ms耐受動態操作電壓的性能，設計了動態沖擊電壓測試平臺，如圖10所示。

圖10 動態操作沖擊電壓測試Fig.10 Dynamic switching voltage

動態絕緣測試原理為：首先，控制設備將分閘命令發送到快速機械開關單元模塊，以控制機械開關開始分閘；然后，控制裝置在2 ms時向沖擊電壓發生器發送觸發命令，并且沖擊電壓發生器在分閘運動期間向快速機械開關斷開的2個端子施加±40 μs/4 000 μs的120 kV沖擊電壓；最后通過測試平臺記錄試驗波形。快速機械開關模塊動態操作沖擊電壓測試波形如圖11所示。

圖11 動態操作沖擊電壓測試波形Fig.11 Dynamic insulation test waveforms of fast mechanical switch module

4.2 工程運行

2020年6月，配套使用該型快速機械開關的混合式直流斷路器實際應用于張北柔性直流電網試驗示范工程，并順利通過工程現場電氣系統調試試驗。同年8月正式投入運行，至今直流斷路器快速機械開關平穩可靠運行，目前已完成2次年檢，快速機械開關狀態良好。

5 結 論

本文基于張北柔性直流電網試驗示范工程，系統研究了500 kV混合式直流斷路器的核心裝備——高電壓大電流快速機械開關機械及電氣特性。通過對柔性直流輸電系統突發短路故障時直流斷路器承載電流特性的分析，提出了快速機械開關電氣和機械性能要求：1)快速性要求；2)動態耐壓性能要求；3)長期通流可靠性要求。研究了快速機械開關設計方案，重點對操動機構和固封極柱設計進行研究，其中電磁斥力機構采用雙穩彈簧保持裝置，具有良好的機械穩定性，通過對彈簧剛度、預壓縮量和連桿尺寸進行選取，可對操動機構保持力的大小進行調整。由于快速機械開關瞬時分閘速度可達10 m/s以上，需強化設計提高真空滅弧室和環氧固封極柱的機械壽命及可靠性，從以下幾個方面進行特殊設計：1)固封極柱上出線座和下出線座采用前后對稱設計，極柱背面出線座安裝銅質散熱器，以此保證快速機械開關模塊的主回路電阻小于20 μΩ，溫升小于45 K；2)真空滅弧室導電桿采用無氧銅，且導電桿內設計了40Cr鋼芯，并對鋼芯進行調質處理，增加其機械強度，為避免真空滅弧室的導電桿增加鋼芯后對通流和溫升影響，增大了真空滅弧室的動導電桿直徑和有效面積；3)真空滅弧室的觸頭材料充分考慮其導電性和機械強度，采用了真空電弧熔煉工藝。

對快速機械開關特性進行了仿真，并對電氣及機械性能進行試驗驗證。采用激光位移傳感器檢測開關觸頭運動位移，數字存儲示波器和輔助傳感器檢測開關分閘絕緣到位時間，對快速機械開關的快速性能進行了驗證。通過動態沖擊電壓測試平臺，驗證了快速機械開關2 ms耐受動態操作電壓的性能。

應用該型高電壓大電流快速機械開關的混合式直流斷路器廣泛適用±500 kV柔性直流系統。