高壓直流斷路器的研究(結(jié)課大作業(yè))

1、摘 要高壓直流（HVDC）電網(wǎng)是解決可再生能源大規(guī)模接入的重要途徑。發(fā)展高壓直流電網(wǎng)對大規(guī)模電能的遠(yuǎn)距離輸送、促進(jìn)新能源的并網(wǎng)及消納、提高區(qū)域交流互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性具有重要意義。而高壓直流斷路器是直流電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸問題。本文分析了高壓直流電網(wǎng)對高壓直流斷路器的需求；介紹了各種直流斷路器的主要性能、基本構(gòu)成、開斷原理等。關(guān)鍵詞：高壓直流輸電，直流斷路器，MRTB，ERTB，NBS，NBGS前言隨著傳統(tǒng)化石能源短缺和環(huán)境污染問題的不斷加劇，以及風(fēng)電、太陽能等可再生清潔能源的迅速發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)間歇式可再生能源大規(guī)模接入的多端高壓直流輸電系統(tǒng)，及其向HVDC電網(wǎng)方向的發(fā)展，越來越受到世界各國的關(guān)注。

2、2008 年，歐洲提出超級智能電網(wǎng)(super grid)規(guī)劃，旨在充分利用可再生能源的同時，實現(xiàn)國家間電力交易和可再生能源的充分利用；2011 年，美國提出了2030 年電網(wǎng)構(gòu)想(Grid 2030)，即美國未來電網(wǎng)將建立由東岸到西岸、北到加拿大、南到墨西哥，主要采用超導(dǎo)技術(shù)、電力儲能技術(shù)和更先進(jìn)的直流輸電技術(shù)的骨干網(wǎng)架。中國風(fēng)力資源豐富地區(qū)主要集中在東北、華北、西北等區(qū)域。但這些地區(qū)大多負(fù)荷水平較低、調(diào)峰能力有限，大規(guī)模風(fēng)電就地利用困難，需要遠(yuǎn)距離大容量輸送，并在大區(qū)以至全國范圍內(nèi)實現(xiàn)電量消納。這對中國發(fā)展HVDC電網(wǎng)技術(shù)提出了迫切的需求。隨著HVDC 輸電技術(shù)向HVDC 電網(wǎng)的發(fā)展，對整

3、個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定、安全運行也提出了更高的要求。其中所面臨的巨大挑戰(zhàn)就是HVDC 電網(wǎng)中短路電流的開斷問題。與交流系統(tǒng)相比，HVDC 電網(wǎng)中時間常數(shù)小，短路電流上升速度快，同時造成直流電壓的跌落，甚至引起換流器和短路電流的失控，而且直流電流由于缺乏自然過零點而難以開斷。能夠?qū)崿F(xiàn)快速切除或隔離短路故障的高壓直流斷路器已成為HVDC 電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸問題。1、 直流電網(wǎng)發(fā)展對高壓直流斷路器的需求隨著直流輸電技術(shù)向HVDC電網(wǎng)的發(fā)展，對整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定、安全運行也提出了更高的要求，其中所面臨的巨大挑戰(zhàn)就是HVDC 電網(wǎng)中短路電流的開斷問題，這對高壓直流斷路器的研究和開發(fā)提出了非常迫切的需求。在

4、交流系統(tǒng)中，交流電流在每個周期內(nèi)有2 個自然過零點，同時系統(tǒng)中儲存的磁能也為零，這為交流電弧的熄滅和電路的開斷創(chuàng)造了很好的條件。絕大多數(shù)交流開關(guān)設(shè)備都利用這一原理實現(xiàn)短路電流的開斷。但在直流系統(tǒng)中，直流電流缺乏自然過零點，因此直流電流比交流電流難以開斷，而這一問題在HVDC電網(wǎng)中更加嚴(yán)峻。現(xiàn)有兩種傳統(tǒng)的方式可以開斷直流電流：一是靠拉長電弧的長度直至其在一定的電弧電壓下不能持續(xù)，從而實現(xiàn)滅弧。顯而易見此方式不適用于高壓直流系統(tǒng)；另一方法是人為創(chuàng)造電流零點，即由電感、電容組成輔助振蕩電路，通過使電容放電引入高頻交流電流造成電流零點，再利用傳統(tǒng)的交流斷路器切斷電弧。到目前為止，所有商業(yè)化的直流斷路器

5、均基于此原理達(dá)到開斷直流電流的目的，它們一般用于負(fù)荷電流的關(guān)合與開斷，而短路故障電流的開斷能力很低。所以，如何提高直流斷路器的開斷容量成為了一道復(fù)雜的難題，這也是高壓直流斷路器所面臨的一大挑戰(zhàn)。HVDC電網(wǎng)中短路電流的幅值和上升速度與很多因素有關(guān)，主要包括以下幾個方面：1)直流網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2)所采用的換流器技術(shù)(LCC或VSC)；3)直流側(cè)電容、電感(包括分布參數(shù))；4)短路點的位置；2、 高壓直流斷路器概述高壓直流斷路器大體可分為3種類型：基于機(jī)械開關(guān)（機(jī)械式常規(guī)斷路器）的機(jī)械式直流斷路器、基于電力電子器件的全固態(tài)直流斷路器，以及整合前兩者優(yōu)點的混合式直流斷路器。2.1機(jī)械式直流斷路器直

6、流電不存在電流自然過零點，滅弧困難。在低壓小電流應(yīng)用場合，可以通過增大電弧電壓、分段串接限流電阻或控制磁場氣體放電斷流等方法實現(xiàn)強(qiáng)迫直流開斷熄弧。但在高壓大電流應(yīng)用場合，上述方法不可行，一般是通過適當(dāng)改造常規(guī)機(jī)械式交流斷路器結(jié)構(gòu)，并增加能夠在開斷直流電流過程中自動形成高頻振蕩電流過零點的振蕩換流回路，以解決機(jī)械開關(guān)切斷高壓大直流電流時的滅弧問題。早在世紀(jì)年代初，美國公司的專家就提出了采用振蕩換流熄弧的機(jī)械式直流斷路器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，主要由機(jī)械開關(guān)、振蕩換流回路，以及吸收、放電回路等部分構(gòu)成。2.2固態(tài)直流斷路器世紀(jì)年代末，出現(xiàn)了以晶閘管（）作為開關(guān)元件的直流斷路器，因其采用電力電子器件實

7、現(xiàn)對電流的通、斷控制，故被稱為固態(tài)直流斷路器。固態(tài)直流斷路器根據(jù)其所采用電力電子器件類型的不同，可劃分為如下類。1) 半控型固態(tài)直流斷路器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。半控型器件主要以 為代表，具有容量大、通態(tài)壓降小、損耗低、價格低等優(yōu)點，是最早用于研發(fā)全固態(tài)斷路器的器件之一。這種固態(tài)直流斷路器理論研究已較成熟，其工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，且控制策略容易實現(xiàn)，具有較高的可靠性，工業(yè)應(yīng)用廣泛。但為半控型器件，實現(xiàn)直流關(guān)斷需增加振蕩換流回路產(chǎn)生電流過零點，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大；同時工作頻率相對較低，基于其構(gòu)成的固態(tài)直流斷路器開斷速度也受到了一定的限制。2) 全控型固態(tài)直流斷路器，由于，等全控型電力電子器件

8、通、斷均可控。因此，基于其的固態(tài)直流斷路器無需附加振蕩換流回路，從而可實現(xiàn)快速關(guān)斷，減少關(guān)斷時間，降低切斷故障電流值。年，美國德克薩斯州大學(xué)研制出基于的固態(tài)直流斷路器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。2.3混合式直流斷路器20世紀(jì)90年代，T.Genji等人提出一種基于真空斷路器和固態(tài)開關(guān)構(gòu)成的混合式直流斷路器，綜合了機(jī)械開關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動態(tài)性能?；旌鲜街绷鲾嗦菲鞲鶕?jù)換流關(guān)斷原理的不同，可分為自然換流關(guān)斷型與強(qiáng)制換流關(guān)斷型種。1 自然換流關(guān)斷型混合式直流斷路器的固態(tài)開關(guān)部分一般由，等全控型電力電子器件構(gòu)成（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖），其分?jǐn)嗷驹砣缦拢豪脵C(jī)械開關(guān)分?jǐn)鄷r產(chǎn)生的電弧電壓，為固態(tài)開

9、關(guān)（已施加觸發(fā)脈沖）建立陽極正向電壓，使其順利導(dǎo)通；固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通后，由于開關(guān)觸點間電弧電阻大于固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通電阻，使得電流能夠自然地從機(jī)械開關(guān)換流至固態(tài)開關(guān)，從而保證機(jī)械開關(guān)在低壓小電流下順利分?jǐn)?；機(jī)械開關(guān)分?jǐn)嗪罅⒓搓P(guān)斷固態(tài)開關(guān)，從而切斷電流通路。2 強(qiáng)制換流關(guān)斷型混合式直流斷路器的換流關(guān)斷原理類似于機(jī)械式直流斷路器，即也采用電感、電容串聯(lián)諧振回路產(chǎn)生諧振電流，從而制造電流過零點實現(xiàn)快速開斷與滅弧。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。該方案中固態(tài)開關(guān)部分由、功率二極管及諧振電路等構(gòu)成，是一種可強(qiáng)制關(guān)斷的半控型雙向橋式開關(guān)電路。這種強(qiáng)制換流關(guān)斷型混合式直流斷路器可適用于容量較大的場合，但因固態(tài)開關(guān)采用半控型器件，

10、且須借助諧振回路才能實現(xiàn)換流關(guān)斷，故其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，可控性與關(guān)斷速度也要差些（與圖相比）混合式直流斷路器綜合了機(jī)械式斷路器與固態(tài)斷路器的優(yōu)點，具有通態(tài)損耗小、開斷快速可控、無?。ㄎ⒒。o響聲、開關(guān)壽命長、可靠性高、無需專用冷卻設(shè)備等優(yōu)點，是目前高壓直流斷路器研發(fā)的主要方向。三、各種直流斷路器在直流系統(tǒng)中的功能要求3.1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)而無需對操作機(jī)構(gòu)充電。在轉(zhuǎn)換失敗或電動機(jī)掉電情況下

11、，此功能可以保證開斷裝置到達(dá)閉合位置。3.2中性母線接地斷路器NBGS每個換流站都有一臺NBGS。當(dāng)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(dāng)電流超過NBGS的轉(zhuǎn)換能力時，NBGS 不能打開。當(dāng)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(hù)裝置應(yīng)能自動減小直流電流，并將該極切除。2）NBGS （包括金屬回路轉(zhuǎn)換斷路器

12、MRTB、大地回路轉(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(jī)構(gòu)充電。在轉(zhuǎn)換失敗或電動機(jī)掉電情況下，此功能可以保證開斷裝置到達(dá)閉合位置。3.3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(dāng)運行極運行在2 h 過負(fù)荷的功率水平上也應(yīng)能成功地進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換。3.4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)引起直流功率的任

13、何降低，對于2 h 過負(fù)荷功率的直流運行電流，這種轉(zhuǎn)移也應(yīng)能進(jìn)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。四、直流斷路器的主要性能4.1絕緣性能4.1.1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。4.1.2 絕緣水平及絕緣強(qiáng)度直流斷路器絕緣水平及絕緣強(qiáng)度的考核指標(biāo)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。4.2電流轉(zhuǎn)換性能用于改變運行方式的斷路器，如MR

14、TB 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(hù)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)的能力即電壽命，則由具體直流輸電工程的運行要求來確定，一般不低于1 000 次。而對于MRTB 及ERTB 每年在無冷卻的情況下，只允許進(jìn)行兩次連續(xù)轉(zhuǎn)換。允許的轉(zhuǎn)換電流應(yīng)根據(jù)直流系統(tǒng)的額定連續(xù)過負(fù)荷條件來確定。直流斷路器需轉(zhuǎn)換的電流由下列之中選?。ㄖ绷鳎珹）：800、1 000、1 250、1 600、2 000、2 500、3 150、4

15、000、4 500、5 000。4.3環(huán)境耐受性能直流斷路器在周圍環(huán)境條件作用下，都應(yīng)能可靠工作。這些條件主要有4.3.1 海拔高度由于高海拔地區(qū)大氣壓力低，耐壓水平隨之降低， 要求安裝在1 000 m 以上地區(qū)的直流斷路器外絕緣應(yīng)進(jìn)行修正。4.3.2 環(huán)境溫度環(huán)境溫度過低會使斷路器的潤滑油粘度增加，影響斷路器的分、合閘速度，還會使SF6氣體液化，降低開斷性能。環(huán)境溫度過高，會導(dǎo)致斷路器導(dǎo)電回路溫度升高，斷路器內(nèi)部SF6氣體壓力隨之增高。4.3.3 污穢等級由于直流輸電的“靜電吸塵效應(yīng)”，絕緣子的積污和污閃特性與交流的有很大不同，由此引起的污穢放電比交流的更為嚴(yán)重，合理選擇直流斷路器絕緣件的爬

16、電比距對于提高運行水平非常重要。五、直流斷路器的開斷原理實現(xiàn)直流開斷的首要條件是使電流過零，不同的直流開斷方法均基于這一基本思想。以下簡要介紹幾種最主要的直流開斷方法的基本原理。5.1限流開斷法限流開斷法的基本原理是利用直流斷路器開斷時產(chǎn)生足夠高的電壓，由于此電壓與電源電壓相反，當(dāng)其與電源電壓相當(dāng)時，可限制短路電流，使其過零開斷。為提高斷路器開斷時產(chǎn)生的電壓，一種方式是利用電弧電壓， 另一種方式是采用分段串入電阻的方式，見圖2。圖2(a)中，一般采用拉長電弧、利用金屬柵片將電弧分割為串聯(lián)短弧、加強(qiáng)電弧的冷卻和去游離等方式提高電弧電壓。圖2(b)中，通過將開關(guān)S1-S3依次打開，使電阻R1-R3

17、逐段串入電路來提高電壓。此外，采用圖2(b)的開斷方式時，只需要每個斷口產(chǎn)生的電弧電壓能夠使電流轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的并聯(lián)電阻支路，而不需要使電弧電壓與電源電壓相當(dāng)。5.2人工過零法基于人工過零的直流開斷方法的基本原理見圖3，由載流支路、電流轉(zhuǎn)移支路、能量吸收支路構(gòu)成。載流開關(guān)(SL)采用機(jī)械式開關(guān)，電流轉(zhuǎn)移支路由預(yù)充電的換流電容(Cc)、換流電感(Lc)和換流開關(guān)(Sc)串聯(lián)構(gòu)成。開斷時，載流開關(guān)首先打開并在其電極間形成電弧，當(dāng)電極達(dá)到一定開距時，閉合換流開關(guān)，則換流電容通過換流電感和載流支路形成震蕩回路，產(chǎn)生與載流支路中電流iL反向的高頻震蕩電流ic， 使載流開關(guān)中的電弧在其電流被強(qiáng)迫過零時熄滅，并

18、使電流轉(zhuǎn)移至電流轉(zhuǎn)移支路。隨后換流電容被反向充電，當(dāng)其電壓超過避雷器(MOV)動作電壓時，電流逐漸轉(zhuǎn)移至能量吸收支路，直至避雷器電流過零，完成開斷。5.3自激振蕩法基于自激震蕩的直流開斷方法的基本原理見圖4，與基于人工過零的直流開斷的結(jié)構(gòu)類似，也由載流支路、電流轉(zhuǎn)移支路、能量吸收支路構(gòu)成，但電流轉(zhuǎn)移支路僅由換流電容和換流電感串聯(lián)構(gòu)成，無換流開關(guān)。開斷時，載流開關(guān)打開形成電弧，利用電弧的不穩(wěn)定性和負(fù)的伏安特性使載流支路與電流轉(zhuǎn)移支路間產(chǎn)生振幅逐漸增大的高頻震蕩，當(dāng)震蕩電流的幅值大于開斷電流時形成過零點，使載流開關(guān)中的電弧熄滅，并使電流轉(zhuǎn)移至電流轉(zhuǎn)移支路。其后的開斷過程與上述的人工過零法相同。5.4混合開斷法所謂混合直流開斷，是指有觸點機(jī)械開關(guān)與無觸點的電力電子器件相結(jié)合而構(gòu)成的直流開斷