高壓直流斷路器關鍵技術研究分析

河南省高壓電器研究所有限公司 李彥如 趙新陽 郭思遠

1 引言

直流輸電技術的發展可以作為高壓直流斷路器的基礎，同時推動高壓直流斷路器的基礎研究抬上了一個新的高度。在高壓直流斷路器的相關研究中仍然存在著一些困難和難點，如直流系統的電流沒有超過自然過零點，那么電弧就很難被熄滅，這種開關時的滅弧問題容易引發一系列使用故障等安全隱患。通過建設端柔性直流輸電系統能夠促進我國高壓直流斷路技術的進一步推廣和研究，我國通過“863”計劃和國家自然科學基金項目等渠道和手段加強了對高壓直流斷路器相關基礎的科學攻關工作，為問題的解決提供了幫助。本文圍繞著高壓直流斷路器關鍵技術研究分析展開論述，希望能為有關人員提供一些參考。

2 高壓直流斷路器的技術要求分析

高壓直流斷路器大多數被運用在多端柔性直流輸電系統中，也可以被運用在柔性直流電網中。高壓直流斷路器大多數充當故障保護的角色，對主設備進行維護發揮著重要的作用，從系統的角度來分析，直流斷路器在具體運行的過程中有一些技術方面的難關需要攻克，無論是混合式斷路器還是機械式斷路器，這些問題都是不可逃避的。

2.1 快速保護

一般而言，柔性直流輸電系統具有較小的抗阻性能，出現短路故障就需要通過斷路器的電流快速上升來解決，一般來說斷路器在5m/s之內要完成故障電流的斷開，反之快速上升的電流有可能會大于直流斷路器的開斷能力，也會造成直流斷路器出現故障和問題。除此之外，以換流閥為代表的一系列設備也需要更長的時間來承受電流的沖擊，造成運營成本直線上升[1]。

2.2 重合閥的相關功能

比如，我國“張北工程”就是一個明顯的例子，其采用的是架空線柔性直流電網，在斷路器的啟用過程之中還具備核查快速功能，能夠切斷線路故障，維護電網的整體運行。如果斷路器具備重復找的功能，那么在設計的時候必須考慮故障的時間，特別是要考慮到永久性故障的有關問題，設計人員在設計保護換流閥等不同的設備時，需要考慮到斷路器的自身能力情況，在運用斷路器之后進行電流的分段，這一情況有反應速度和反應時間的相關要求，斷路器第一次開斷和第二次開斷都要考慮到雙重換流閥是否能夠承受得住兩次電流沖擊，提高開斷的速度。此外有關設計人員還要加強對重合閘能量吸收方面的顧慮，如果僅僅考慮單次開段有可能會造成危險性增加，這些問題會導致斷路器在設計過程中存在一系列的問題和困難[2]。

2.3 故障檢測與快速識別

對于常規的電流交流系統來說，開段時間也有一定的限制，但是柔直系統對開段時間的要求更為苛刻與嚴格，同時若要加強選擇性故障保護，有關人員需要加強對不同分支線路的斷路器時間設定。在這一理念的影響之下，交流斷路器可以采用繼電保護的集中式形式對動作參數發出命令，控制分合閘的具體操作和動作的順序。站在直流系統的角度而言，故障檢測也有快捷性的要求，也就是說如果使用交流系統控制方式，那么相關斷流器的動作則需要利用故障檢測來判斷機電保護系統是否發出了動作指定，該命令傳輸情況如何，是否傳至直流電路器，還要觀察直流斷路器動作，這一系列環節都需要加強把握[3]。

在氣墊保護系統傳輸命令下達任務的過程之中仍然需要耗費一定量的時間，這一階段的時間可能會造成斷路器動作遲緩，時間延遲，因此研發人員要采用更加有效的直流電網進行設備的保護，還要確保快速切斷斷路器，整個過程都要節約時間，這樣才能具備故障檢測和識別功能的時效性。從這個視角上來看，直流斷路器和常規的交流斷路器是不同的，并不是一個較為單純的開關斷開裝置，而是一種相互融合具有獨立保護功能的完善系統。

3 高壓直流斷路器故障解決分析

3.1 拒分閘的故障

高壓直流斷路器在正常運行的過程中有可能會發生驅動故障的現象，造成越級跳閘導致擴大停電范圍，也會給電力系統造成嚴重的破壞和威脅，引發大面積的工廠、民居停電事故，損傷電力系統運行的可靠性和安全性。由此可見，在拒分閘故障發生的時候，首先有關工作人員要對跳閘回路進行仔細查看，檢查跳閘回路之中是否存在損壞的部分，之后還要檢查電壓是否過低，如果電壓值正常，鐵芯卻無法正常的跳動，那么可以斷定是電氣系統在運行過程中出現了一系列故障，又比如跳閘鐵芯運行狀況良好但是斷路器拒動，那就有可能是機械組成部分發生的問題。

如果是鐵芯卡頓又或者是線圈出現問題，電源的部位卻沒有損壞，那么就可以判斷機械和電氣設備二者同時出現問題，在具體的處理過程中，面對電氣方面的故障，工作人員可以集中檢查跳閘回路的元件接觸性，同時判斷回路部位的熔斷器是否能正常工作，是否出現老化短路現象，如果是機械方面的故障，工作人員可以判斷分閘閥是否出現卡頓的問題，彈簧是否失靈，找到相應的部位進行維修和點對點的機器更新[4]。

3.2 拒合閘發生的故障

發生拒合閘的故障也是由多方面因素導致的，大體上可以分為電氣故障和機械發生的故障，這一點和拒分閘故障產生的類型有一些相似，有關工作人員要加強對合閘電源和控制電路的檢測，確保電氣回路沒有問題，與此同時，工作人員還要對鐵芯的異常響動情況進行判斷，檢查機械有無發生問題。一般來說在電氣故障解決的過程之中需要對控制電源的元件進行查看，判斷電源的控制回路是否存在異常，如果發生了機械故障，可能是由于合閘鐵芯出現了卡頓導致整體動力下降，還有可能是由于分閘機構歸位不及時導致的。除此之外還有一些原因是由于合閘彈簧沒有能夠及時儲能，行程不合適。

4 高壓直流斷路器關鍵技術分析

為解決上述問題，迎合較為苛刻的使用要求，有關研發人員要加強對直流斷路器在設計方面和研制方面的深入探究，目前我國已經開發出了多個電壓等級系統，能滿足直流斷路器的要求，但必須加強設計的優化以及性能的完善，給予相關問題以關注。

4.1 拓撲優化技術

ABB公司首先提出了基本拓撲形式的混合式直流斷路器，并在較大范圍得到了認可與推廣。在拓撲結構的基礎之上，我國提出了具有中國特色的新型拓撲研究方案，聯合研究院已經設計了全橋子拓撲模塊，研制出了200kW的混合式高壓直流斷路器，并且取得了成功的運用效果，尤其是在柔直系統中的運用取得了不錯的成績。

以上實踐的成功證明了拓撲優化的技術具有光明的發展前景與可行性，拓撲結構需要較多的串聯，目前IGBT高參數售價較高，容易提高混合式直流斷路器的使用成本。除此之外，在通流之路中的IGBT在工作中需要長期耗損電流，雖然數量不多也會造成通態損耗。因此，需要通過水冷設計來維持其正常運行，相對手續比較煩瑣，且斷路器內部的結構和構架也較為復雜，為了降低拓撲結構的優化成本，簡化運用手續，研發人員又提出了一系列具有優化性質的拓撲方案，下面予以介紹：

第一種是喬氏半導體組件拓撲。這種拓撲方案是在重點研發計劃支持之下的新嘗試，聯合研究院研制出了新型橋式半導體組件拓撲，通過橋式結構的利用能夠減少IGBT的使用成本[5]。

第二種是耦合性，負壓原理拓撲這種技術是由清華大學參與和西安交通大學技術支持共同研制出的直流斷路器拓撲，其可以利用負壓耦合技術，讓開斷時的電流從通路向開斷支路轉換。這種設計能夠對通流之路的運行步驟進行簡化，全面提升了電流轉移的成功效率，但是轉移的過程可能存在一定的弧度，也會在某種程度上加大通流之路的開斷壓力。

第三種是限流能力拓撲。該系統抗阻能力比較小，故障電流上升速度也比較快，有些研究人員可以把直流斷路器和故障限流器相互結合，這是一種全新的拓撲思路，利用故障限流器來對故障電流的移動速度進行限制，有效降低開斷元件的能力要求，同時也能夠降低對吸能回路的要求。在限流器的設計方面，這種限流能力的拓撲思想具有較強的經濟運用價值，同時運營的成本比較低，也方便維護，可以采用限流器和直流斷路器共同使用的方式作為主要的運行框架。

第四種類型屬于耦合式高壓直流斷路器。這種以拓撲技術為基礎的耦合型斷路器在20世紀就已經在使用了，其運用空間和運用領域具有一定的特殊性。耦合式機械型高壓斷路器可以在突破方案的相互結合中降低電壓的等級范圍，使用中性線轉移開關降低對動作時間的延長。該項突破技術在大范圍之內得到了推廣，如果把原始拓撲向高壓等級拓撲轉換，那么就必須解決一系列技術難點，拓寬快速動作斷路器的應用范圍和場合，同時還要解決電容器高電位充電等難題。這種耦合型的高壓直流斷路器拓撲方案由于技術上的難點，長時間沒有得到普遍的推廣和認可，直到2016年，我國華中科技大學借助拓撲耦合變壓器把輔助電路轉移到落地平臺，這樣就能在一定程度上減小研究的難度。這種拓撲方案在某些試點順利的運行證明了耦合型機械高壓直流斷路器方案的可行性。

第五種類型是組合型直流斷路器拓撲方案。組合型的直流斷路器拓撲結構指的是根據直流電網的構成要素，把多種直流斷路器的吸能支路和開關支路共同使用，把故障之間進行分隔，同時運用其重合能力讓直流電網的運用更具有經濟性，節省成本。在這一循環中，直流斷路器不能表現為相對獨立的電氣設備，反而成為有所依托的直流電網深度耦合集合。雖然這種方案在拓撲的結構方面作出了大量的優化與探索，但是這種組合型的拓撲方案在實際運用的過程中仍然有一些特點和問題需要去適應并解決，因此有關研發人員要在進一步研究拓撲方案結構和條件的基礎之上對斷路器的實際工作流程展開進一步優化。

4.2 隔離供能技術

高壓直流斷路器不僅是簡單的開斷裝置，還是一種相互融合，具有完善功能的系統設備，其內部組成框架包括信號檢測、運算分析器件、驅動部件等不同的功能監測部件，所有的部件都有供電和功能的需求。以混合式高壓直流斷路器為例，驅動需要向外界索取能量，同時為了提高動作的速度和反應程度，在通流之路的開關設備中要采用渦流斥力機構加以輔助，同時也需要不斷的外界能量供給這些能量，需要通過隔離裝置來提供功能的部件數量比較多，同時電負荷和電需求量也較大，那么變壓器要提高其自身效率。與此同時，功能部件要處在不同的電位和不同電壓的工作平臺之上，供能終端要提高電壓隔離的要求。如果工作電壓的等級不斷提高，那么就會讓功能變壓器的絕緣和效率之間存在著矛盾。

4.3 快速機械開關技術

為提高高壓直流斷路器的快速動作效率，開關裝置會采用渦流斥力系統，這種系統要具備5m/s的分閘能力，如果電壓等級比較高，建議采用串聯多臺裝置的方法加以適應。快速機械開關技術以電磁斥力機構工作原理為基礎，確定開距操縱的幅度大小。如果開關裝置的開具比較大，那么就會顯著降低電磁斥力的效果，反之開關裝置的開距比較小，就必須要用多數量、較為復雜的串聯開關裝置并行使用，相互配合才能協調開關裝置的電壓數值，讓開關串聯數和驅動效率之間能夠相互配合，這也是當前快速機械開關技術在推廣過程中需要加以解決的問題之一。

綜上所述，高壓直流斷路器關鍵技術的相關研究要加強問題的解決和方案的優化，有關工作人員要提高相關技術的研發力度，注重高壓直流斷路器的故障問題解決，通過方案的優化來提高高壓直流斷路器的運行效率。