直流系統(tǒng)保護

1、1 直流微電網(wǎng)接地方式根據(jù) IEC60364-119對直流系統(tǒng)接地型式的定義，與交流系統(tǒng)一樣，也可分為TT(T=電源側(cè)直接接地；T=用電設(shè)備外露導(dǎo)電部分直接接地)、IT(I=電源側(cè)不接地或經(jīng)高阻抗接地，T=用電設(shè)備外露導(dǎo)電部分直接接地)、TN(T=電源側(cè)直接接地，N=用電設(shè)備外露導(dǎo)電部分經(jīng)保護線與電源側(cè)共地) 三種接地型式IT 表示直流母線處(可以為正極、負極或中性點)不接地或經(jīng)高阻抗接地，電氣裝置的外露可電導(dǎo)部分直接接地. 研究表明，對于不存在對地電容的直流系統(tǒng)而言，IT 系統(tǒng)的一次接地故障監(jiān)測十分困難，用戶也無法用電筆測試出該系統(tǒng)直流電的極性. 在IT 接地型式中，相比負電極，正電極與大地

2、連接可以減小電腐蝕的效應(yīng)。當接地故障發(fā)生時，故障電流較小，仍可以保證負載的正常運行，因此現(xiàn)有低壓直流系統(tǒng)也大多采用無中線的IT 系統(tǒng)，但由于故障電流小，導(dǎo)致其故障檢測困難，容易引發(fā)二次極間故障TN 表示直流母線處(可以為正極、負極或中性點)直接接地，所有電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分均接到保護線上，并與上述接地點相連。而我國傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中廣泛使用的TN 系統(tǒng)(T=電源側(cè)直接接地，N=用電設(shè)備外露導(dǎo)電部分經(jīng)保護線與電源側(cè)共地)，其優(yōu)點在于能將接地故障轉(zhuǎn)化為短路故障從而增大故障電流、利于保護設(shè)備的動作，但由電力電子變換裝置提供電源的直流系統(tǒng)中，一般均含有大量對過電流敏感的電力電子器件，該特性能否在直流系統(tǒng)

3、中發(fā)揮同樣的優(yōu)勢需作進一步的探討。TN 系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，會有較大的故障電流和電壓暫變現(xiàn)象，這會影響連接在故障電極上的其他負載運行，該接地方式故障容易檢測并快速清除?？紤]到目前家用設(shè)備接地保護線與交流零線電位差限制，未來直流微電網(wǎng)在給住宅、學校、商業(yè)建筑和工業(yè)區(qū)域供電建議采用TN系統(tǒng)。2 直流微電網(wǎng)故障類型根據(jù)故障的類型進行劃分，可將直流微網(wǎng)的故障分為接地故障和極間故障，如圖16 所示。接地故障依據(jù)故障阻抗大小可分為高阻抗接地和低阻抗接地故障，極間故障阻抗通常較小。上述兩種類型故障位置即可位于母線處，也可位于饋線處。直流微電網(wǎng)接地故障對系統(tǒng)的影響則依據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與接地形式的不同而不同。對于不

4、接地或經(jīng)高阻抗接地(如IT 系統(tǒng))的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，接地故障的快速檢測與定位仍是難點之一。直流微電極間故障多為短路故障，故障檢測與定位相對容易。以雙極性含中線的三線制直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，正、負極間故障最為嚴重，將影響到所有連接至該母線處的分布式電源、儲能單元、交直流接口DC-AC 變流器與負荷的正常供電；若發(fā)生在正極與中線或負極與中線的極間故障，若能進行快速隔離，則可以保證未故障極間的供電連續(xù)性；在饋線末端發(fā)生極間故障時，其對直流母線電壓的影響主要取決于故障回路阻抗和故障切除時間。3 熔斷器和高壓直流斷路器國內(nèi)外的學者和研究機構(gòu)對于高壓直流分斷技術(shù)進行了廣泛而深入的研究，先后研制出了基于不同原

5、理的高壓直流斷路器。2012 年ABB 公司研制出了世界第一臺直流電網(wǎng)用的混合式高壓直流斷路器樣機，并成功進行了80 kV/5 ms/9 kA(額定電壓/分斷時間/最大分斷電流)的模塊單元試驗；此后Alstom 公司也研制出了120 kV/5.5 ms/5.2 kA的原理樣機。國內(nèi)關(guān)于高壓直流斷路器的研究工作起步較晚但成果卓著。2014 年底，由南方電網(wǎng)科學研究院牽頭研制出了55 kV/5 ms/16 kA 的高壓直流斷路器單元樣機；緊接著由國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院自主研制出200 kV/3 ms/15 kA 試驗樣機，它們都標志著我國已經(jīng)步入大功率高壓直流斷路器樣機研制階段。熔斷器是過電流繼電保護

6、裝置與開斷裝置合為一體的開關(guān)設(shè)備，根據(jù)電流超過規(guī)定值一段時間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而斷開電路。熔斷器的選擇主要依據(jù)負載的保護特性和短路電流的大小選擇熔斷器的類型。熔斷器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，在低壓系統(tǒng)中廣泛被應(yīng)用。 直流斷路器根據(jù)電流開斷方式不同，主要有機械式直流斷路器、固態(tài)直流斷路器和基于二者結(jié)合的混合式直流斷路器。1 機械式直流斷路器通態(tài)損耗低，但快速切斷故障電流能力不強(目前最快仍需要數(shù)十毫秒)。近年來，完全由可控型半導(dǎo)體器件構(gòu)成的直流固態(tài)斷路器，以數(shù)毫秒級分斷能力、無觸點、分斷不產(chǎn)生電弧等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注。1.1機械式高壓直流斷路器采用 SF6 或者真空

7、交流斷路器作為主分斷裝置，具備通態(tài)損耗低、耐壓強度高、可靠性高等優(yōu)良的靜態(tài)特性。典型的機械式高壓直流斷路器按原理的不同可分為無源自激振蕩型(如圖1(a)所示)和有源他激振蕩型(如圖1(b)所示)2 種。無源自激振蕩型高壓直流斷路器利用電弧負阻特性與并聯(lián)的L、C 電路諧振制造電流過零點熄滅電弧，結(jié)構(gòu)簡單、控制環(huán)節(jié)要求低、可靠性高，在端到端高壓直流輸電系統(tǒng)中的直流轉(zhuǎn)換開關(guān)上有著廣泛的工程應(yīng)用，技術(shù)比較成熟。有源他激振蕩型高壓直流斷路器通過預(yù)充電的高壓電容器向主分斷支路注入反向電流來制造過零點，進而分斷直流電流，技術(shù)門檻低，開斷能力強。 機械式高壓直流斷路器的主要局限性是其分斷速度和分斷能力受制于自

8、身物理機構(gòu)的機械性能，使之難以滿足VSC-HVDC 輸電系統(tǒng)的要求。此外，每次分斷過程都要產(chǎn)生電弧容易帶來開關(guān)觸頭的磨損，降低直流斷路器的使用壽命，增加維護成本。2 與機械式直流斷路器相比，固態(tài)直流斷路器切除故障電流速度更快，但通態(tài)損耗相對較大、成本較高。2.1 固態(tài)高壓直流斷路器固態(tài)高壓直流斷路器采用純電力電子器件作為主分斷裝置，與傳統(tǒng)的機械式斷路器相比，其動態(tài)性能優(yōu)勢明顯：開關(guān)速度極快(微秒級)；易于實現(xiàn)精確、智能控制；開關(guān)工作時沒有電弧產(chǎn)生。依據(jù)所采用的電力電子器件類型可分為2 種：半控型(如圖2(a)所示)和全控型(如圖2(b)所示)固態(tài)高壓直流斷路器。半控型固態(tài)高壓直流斷路器采用半控

9、型器件晶閘管構(gòu)成主開關(guān)支路，配合輔助電路強迫電流轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)主開關(guān)支路上的電流過零關(guān)斷，具有耐受電壓高，分斷能力強，可靠性高等優(yōu)點；不足之處是增加的輔助電源和高壓電容會使設(shè)備復(fù)雜化，增大占地面積，提高制造成本。全控型固態(tài)高壓直流斷路器通過大量串、并聯(lián)的全控型器件(IGBT、集成門極換流晶閘管(integrated gate commutatedthyristors，IGCT)、發(fā)射極關(guān)斷晶閘管(emitter turnoffthyristor，ETO)等構(gòu)成閥段來對直流電流進行直接分斷，分斷原理簡單，動作迅速，但是器件串聯(lián)技術(shù)還需要更深入的研究。固態(tài)高壓直流斷路器是有吸引力的方案，只是通態(tài)損耗很

10、高，往往占換流站傳輸功率的30%，限制了其工程化的應(yīng)用前景。 3 混合式直流斷路器用快速機械開關(guān)導(dǎo)通正常運行電流，固態(tài)電力電子裝置開斷短路電流，有效地結(jié)合機械式斷路器通態(tài)損耗小、固態(tài)斷路器開斷速度快等優(yōu)點。混合式高壓直流斷路器繼承了機械式直流斷路器優(yōu)良的靜態(tài)特性和固態(tài)直流斷路器快速分斷的動態(tài)特性，被認為是最可能在未來直流電網(wǎng)中得到大范圍應(yīng)用的一種高壓直流斷路器。典型的混合式高壓直流斷路器有半控型拓撲(如圖3(a)所示)和全控型拓撲(如圖3(b)所示)兩大類。圖3 所示的半控型和全控型混合式高壓直流斷路器的基本原理均是先觸發(fā)導(dǎo)通固態(tài)開關(guān)支路以提供電流通路，然后分閘機械開關(guān)產(chǎn)生電弧，利用弧壓使電流

11、轉(zhuǎn)移到固態(tài)開關(guān)的電流通路中去；待機械開關(guān)熄滅電弧后，固態(tài)開關(guān)承載全部電流，之后的分斷過程則和固態(tài)直流斷路器相同。 2 種類型的混合式高壓直流斷路器在設(shè)計上集中體現(xiàn)了“零電壓關(guān)斷”的設(shè)計思路。將固態(tài)開關(guān)和機械開關(guān)并聯(lián)，在換流過程中，機械開關(guān)僅承受固態(tài)開關(guān)支路的通態(tài)壓降(百伏級)，而大功率電力電子器件只在故障時導(dǎo)通大大降低了整體的損耗。不足之處是二者均未能實現(xiàn)“零電流關(guān)斷”，關(guān)斷過程中會產(chǎn)生電弧，在數(shù)百kV 的高壓應(yīng)用場合僅靠弧壓轉(zhuǎn)移電流其可靠性有待提高。3.1混合式高壓直流斷路器方案3.11 拓撲結(jié)構(gòu)及特點本文提出了一種基于 IGBT 串聯(lián)技術(shù)的混合式高壓直流斷路器方案，實現(xiàn)了高電壓條件下直流電

12、流的雙向、快速、無弧分斷，具體拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要由輔助轉(zhuǎn)換開關(guān)、主分斷開關(guān)、直流負荷開關(guān)、快速隔離開關(guān)、避雷器和限流電抗器等組成。其中，2 個輔助轉(zhuǎn)換開關(guān)對稱布置，以實現(xiàn)雙向穩(wěn)態(tài)通流，并在故障態(tài)下將故障電流轉(zhuǎn)移至主分斷開關(guān)支路；快速隔離開關(guān)主要有2 個功能：一是保護輔助轉(zhuǎn)換開關(guān)，二是建立一次電壓隔離，確保電流均轉(zhuǎn)移到主分斷開關(guān)支路；主分斷開關(guān)用來進行故障電流的分斷；直流負荷開關(guān)則用來進行計劃任務(wù)下穩(wěn)態(tài)負荷電流的分斷。 具體地，BRK1、BRK2 為快速隔離開關(guān)，BRK11、BRK21 為普通隔離開關(guān)，BRK3 為交流斷路器；14 為少量IGBT 串聯(lián)構(gòu)成的閥段，5 為大量IGBT構(gòu)成的串

13、聯(lián)閥；R1、R2 為啟動電阻，用以在直流斷路器投運過程中確保與之并聯(lián)的固態(tài)開關(guān)可靠導(dǎo)通而不致?lián)p壞；限流電抗器L1、L2 用來抑制短路電流上升率；儲存在限流電抗和線路中的能量則可以通過續(xù)流二極管D1、D2 形成回路耗散。 相較于其他基于IGBT 的混合式高壓直流斷路器方案，本文提出的方案有著獨有的優(yōu)勢：1）雙向開斷故障電流時共用一個主分斷開關(guān)，節(jié)省了IGBT 數(shù)量，在相同開斷電流能力的條件下使用的IGBT 數(shù)量僅為其他方案的一半，而增加的直流負荷開關(guān)技術(shù)成熟，價格較為低廉，在未來電壓等級較高的直流工程中應(yīng)用具備一定的成本優(yōu)勢；2）利用兩側(cè)續(xù)流二極管替代主分斷開關(guān)單元中IGBT 的反并聯(lián)二極管，使

14、得IGBT 模塊不再受限于二極管的損耗、性能和浪涌電流承受能力，便于IGBT 模塊顯著提升性能，同時也為未來研制適合于高壓直流斷路器專用的IGBT提供一個備選方向。3.1.2 工作原理 混合式高壓直流斷路器工作過程可分為開通過程、穩(wěn)態(tài)分斷過程和故障態(tài)分斷過程。現(xiàn)以圖示電流Idc 為正方向分析各個過程的工作原理，反方向同理。1）開通過程。先合閘隔離開關(guān)BRK1、BRK2、BRK11 和BRK21，再合閘交流斷路器BRK3，待電流穩(wěn)定后觸發(fā)導(dǎo)通IGBT1 和IGBT3，由于它們的內(nèi)阻遠小于啟動電阻R1 和R2，電流將迅速轉(zhuǎn)移至IGBT1 和IGBT3 所在支路，之后分閘BRK11 和BRK21，待

15、電流穩(wěn)定后給予IGBT2 和IGBT4 觸發(fā)脈沖，使它們在斷路器穩(wěn)態(tài)運行時一直處于“預(yù)導(dǎo)通”狀態(tài)，以便分斷反方向的故障電流，至此高壓直流斷路器完全投入運行。輔助轉(zhuǎn)換開關(guān)的通態(tài)壓降通常在幾伏以內(nèi)，將其作為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通支路會使設(shè)備的損耗降到非常低的水平。2）穩(wěn)態(tài)分斷過程。當系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換運行方式或?qū)δ骋粭l線路進行檢修維護時，只要分斷正常負荷電流即可，允許的分斷時間相較故障態(tài)分斷可以長很多，利用機械式直流負荷開關(guān)來分斷足以滿足要求，從而減少了使用主分斷開關(guān)的動作次數(shù)，延長了其使用壽命，提高了直流斷路器整體的可靠性。分閘時，BRK3 斷開，斷口產(chǎn)生電弧，與并聯(lián)的LC 支路發(fā)生增幅振蕩。當其幅值同流過斷口的電

16、流幅值相等、方向相反時，斷口電流過零，電弧熄滅。隨后，電流轉(zhuǎn)移到L、C 支路上，對電容進行充電，當電容電壓達到避雷器動作閾值時，避雷器動作，電流被轉(zhuǎn)移至避雷器中，待能量吸收完畢后穩(wěn)態(tài)分斷過程結(jié)束。3）故障態(tài)分斷過程。分斷原理示意圖如圖5所示。t0 時刻，直流斷路器右側(cè)的極線發(fā)生短路故障，額定電流Idc 持續(xù)增加，兩側(cè)的限流電感抑制了故障電流上升率；待Idc 增大到斷路器動作閾值Ith，故障檢測裝置發(fā)送跳閘信號，觸發(fā)導(dǎo)通主分斷開關(guān)，然后發(fā)送斷開信號使輔助轉(zhuǎn)換開關(guān)中的IGBT3 關(guān)斷(關(guān)斷時間通常幾個微秒)，故障電流被轉(zhuǎn)移至主分斷開關(guān)支路，快速隔離開關(guān)在“零電流”和較低電壓應(yīng)力條件下分閘，一般經(jīng)過

17、12 ms 時間達到額定開距，恢復(fù)阻斷能力；t2 時刻快速隔離開關(guān)分斷完成，主分斷開關(guān)動作，瞬間產(chǎn)生很高的過電壓，當過電壓到達避雷器的閾值電壓Uth 時，避雷器動作，故障電流全部轉(zhuǎn)移到避雷器所在支路，t3 時刻避雷器耗散能量完畢，故障電流清除，之后分閘BRK1，使直流斷路器和直流系統(tǒng)分離，防止避雷器熱過載，分斷過程結(jié)束。4 各種直流斷路器在直流系統(tǒng)中的功能要求4.1 中性母線斷路器NBS對于兩端換流站的每一極都有一臺中性母線斷路器NBS，這種斷路器應(yīng)滿足開斷在換流站極內(nèi)和直流輸電線上所發(fā)生的任何故障的直流電流。NBS 中的開斷裝置必須實現(xiàn)合-分-合操作循環(huán)。換言之，開斷裝置實現(xiàn)此操作循環(huán)而無需

18、對操作機構(gòu)充電。在轉(zhuǎn)換失敗或電動機掉電情況下，此功能可以保證開斷裝置到達閉合位置。4.2 中性母線接地斷路器NBGS每個換流站都有一臺NBGS。當接地極退出運行時兩端換流站的NBGS 應(yīng)自動將中性母線轉(zhuǎn)接到換流站地網(wǎng)。NBGS 不要求具備大電流的轉(zhuǎn)換能力，但必須能在雙極運行時打開，以及將雙極不平衡電流轉(zhuǎn)換至接地極。NBGS 應(yīng)具有下述控制和聯(lián)鎖裝置：1） 接地極退出運行時，NBGS 應(yīng)自動合上。NBGS只能手動打開，并配備聯(lián)鎖裝置，當電流超過NBGS的轉(zhuǎn)換能力時，NBGS 不能打開。當NBGS 在單極運行時閉合或在NBGS 閉合時換流站高壓直流一極閉鎖，控制和保護裝置應(yīng)能自動減小直流電流，并將

19、該極切除。2） 回路轉(zhuǎn)換斷路器ERTB） 中的開斷裝置必須實現(xiàn)分-合操作循環(huán)， 即開斷裝置實現(xiàn)此操作循環(huán)而無需對操作機構(gòu)充電。在轉(zhuǎn)換失敗或電動機掉電情況下，此功能可以保證開斷裝置到達閉合位置。4.3 金屬回路轉(zhuǎn)換斷路器MRTB其功能是將直流運行電流從較低阻抗的大地回路向具有較高阻抗的金屬回路轉(zhuǎn)移。直流電流從大地回路向金屬回路的轉(zhuǎn)移不應(yīng)降低運行極的直流輸送功率， 當運行極運行在2 h 過負荷的功率水平上也應(yīng)能成功地進行這種轉(zhuǎn)換。4.4 大地回路轉(zhuǎn)換斷路器ERTBERTB 用以將直流運行電流從具有較高阻抗的金屬回路轉(zhuǎn)移至具有較低阻抗的大地回路。直流電流從金屬回路通道向大地回路通道的轉(zhuǎn)移不應(yīng)引起直流

20、功率的任何降低， 對于2 h 過負荷功率的直流運行電流，這種轉(zhuǎn)移也應(yīng)能進行。 為了滿足在直流系統(tǒng)中的以上功能要求，直流斷路器主要性能、基本結(jié)構(gòu)、開斷原理和試驗驗證技術(shù)與交流斷路器都有較大區(qū)別。4.5直流斷路器的主要性能1.1 絕緣性能1.1.1 額定運行電壓額定運行電壓是指直流斷路器在規(guī)定的正常使用和性能條件下，能夠連續(xù)運行的電壓。選取值為： （ 直流，kV）10、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100。）1.1.2 絕緣水平及絕緣強度直流斷路器絕緣水平及絕緣強度的考核指標除了額定短時工頻耐受電壓以外，還有額定沖擊耐受電壓。選取值見表1。1.2 電流轉(zhuǎn)換性能用于改變運行方式的斷路器， 如MRTB 和ERTB， 在無冷卻的情況下具有連續(xù)轉(zhuǎn)換兩次的能力，即分閘后，如果電弧不能熄滅則應(yīng)使斷路器再重合閘，然后再分閘。對用于保護的斷路器，如NBS和NBGS，則應(yīng)滿足轉(zhuǎn)換一次的能力。這種電流轉(zhuǎn)換性能是不同于交流斷路器的性能要求的。這些斷路器轉(zhuǎn)移額定電流次數(shù)的能力