直流斷路器在高壓直流工程中的應(yīng)用

直流斷路器在高壓直流工程中的應(yīng)用

0增設(shè)直流電系統(tǒng)在特高壓直流設(shè)備的情況下，系統(tǒng)的基本工作原則是將電源轉(zhuǎn)換為直流電，將電報轉(zhuǎn)移到受供電交換站，然后從受供電交換站將電流轉(zhuǎn)換為交流系統(tǒng)。在整個過程中,直流斷路器是換流站中的重要電氣一次設(shè)備。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修時,在不停電的情況下改變供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),保證系統(tǒng)正常運行。本文對直流開斷過程中的相關(guān)問題進行了分析,介紹了目前高壓直流輸電中采用的2種直流開斷方法,綜述了幾種具有代表性的直流斷路器以及直流開關(guān)設(shè)備配置。1及其工作原理按組成結(jié)構(gòu),可將直流斷路器分為無源型和有源型2種,其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。無源型直流斷路器適用于轉(zhuǎn)換中等幅值的直流電流,而有源型直流斷路器適用于轉(zhuǎn)換較大幅值的直流電流。無源輔助電路直流斷路器一般由1臺SF6斷路器(斷口)B,1臺電容器C,1臺避雷器R,以及1臺電抗器L組成;有源型直流斷路器在無源型直流斷路器的基礎(chǔ)上增加了1臺隔離開關(guān)S1及1臺直流充電裝置Udc。對于無源輔助電路直流斷路器來說,斷路器觸頭分開之后,SF6斷路器與L-C支路構(gòu)成的環(huán)路中的諧振電流是靠電弧激發(fā)產(chǎn)生的。有源輔助電路直流斷路器中電容器開始時并沒有和斷路器連接,只是由充電器將其預(yù)充電到一定的直流電壓。在斷路器觸頭分離之后的適當時刻,合上隔離開關(guān)S1,預(yù)充過電的電容器跨接到斷路器上,激發(fā)起振蕩電流,實現(xiàn)斷路器斷口電流過零,斷口間電弧熄滅。對于無源及有源輔助電路直流斷路器來說,當斷口間電弧熄滅之后兩者的工作原理完全一樣。對于無源型和有源型直流斷路器,在SF6斷路器的電弧熄滅前,振蕩電流頻率很高,可達數(shù)千赫茲,電流峰值的時間很短。2直接故障代理的切換2.1從電流的角度分析(1)無過零點。在交流系統(tǒng)中的斷路器,主要是應(yīng)用交流電流在每個周期內(nèi)的2個電流零點來熄滅電弧,在這一瞬間弧隙介質(zhì)的介電強度也得到很好恢復(fù),為滅弧創(chuàng)造了很好的條件。由于直流電流總是定值,沒有電流零點,故直流電弧的熄滅要借助于交流電流過零這一特性實現(xiàn)。(2)釋放巨大能量。故障時直流等值電路如圖2所示。弧隙回路的電壓平衡方程為式中:為自感產(chǎn)生的感應(yīng)電勢;R為回路電阻;E為電源直流電勢;Uarc為弧熄電壓。由式(1)可得短路過程中電流電壓變化狀況為:式中:t1為觸點開斷時刻;A1為觸點斷開瞬間儲存于回路中的磁場能量;A2為燃弧期間由電源向開關(guān)供給的能量。上述能量的表達式由2部分組成,第一部分A1依賴于電網(wǎng)電壓、時間常數(shù)T和t1(觸點開斷時刻),且線路越長,L越大,A1越大(1H4000A的平波電抗器儲能約在8MJ);第二部分A2取決于電流降低的速度及開關(guān)特性,電流減小越快,燃弧時間就越短,A2越小。理論上A2可趨于零。由于A1的存在,直流回路切斷過程如何吸收所釋放的巨大的能量成了直流電路斷開的另一個技術(shù)難點。(3)產(chǎn)生的過電壓。由于直流系統(tǒng)存在許多電容電感元件,如平波電抗器、濾波裝置、過電壓波吸收電容器以及導(dǎo)線的線間電容和對地電容等。當系統(tǒng)進行操作時或發(fā)生故障時,由于系統(tǒng)參數(shù)和工作條件的改變,會引起電容和電感間電磁能量轉(zhuǎn)換(振蕩),引起內(nèi)部過電壓。2.2高壓直流系統(tǒng)在高壓直流系統(tǒng)中由于電感的存在,系統(tǒng)里儲存了大量的能量,需要采取有效手段來耗散這些能量。同時需要抑制過電壓,保證間隙完成介質(zhì)恢復(fù)和保護系統(tǒng)設(shè)備免受損壞。目前,在高壓直流系統(tǒng)中采用“迭加振蕩電流法”進行直流開斷。下面介紹已經(jīng)在高壓直流輸電中得到應(yīng)用的2種形式。2.2.1直流電電壓的開斷過程自激振蕩是利用電弧的負電阻特性和不穩(wěn)定性,在與開斷弧間隙并聯(lián)的電容、電感串聯(lián)回路中產(chǎn)生遞增的自激振蕩,使在電弧間隙的開斷直流電流上迭加增幅的振蕩流,利用電流過零時開斷電路。其原理電路如圖3所示,i為被開斷的直流電流,ia為斷路器電弧電流,L、C、R分別表示轉(zhuǎn)移回路的電感、電容和電阻,ZnO表示氧化鋅吸能元件。電容C和電感L串聯(lián)組成的換流電路并聯(lián)到斷路器上,當斷路器觸頭分開后,由電弧電壓向電容C充電。由于電弧的不穩(wěn)定性,電弧電壓產(chǎn)生波動,使電容器C和電弧之間有1個充放電的過程,產(chǎn)生充放電電流,電弧的負阻特性使這一電流ia的振蕩不斷增加,當電流的振幅等于所開斷的電流時,在斷路器觸頭之間產(chǎn)生電流過零點。電弧電流過零后,斷路器觸頭之間開始介質(zhì)恢復(fù)階段,這時直流系統(tǒng)仍儲存著巨大的能量,這部分能量將變成電容器C上的恢復(fù)電壓,只有當斷路器具有較快的介質(zhì)恢復(fù)速度才不至于發(fā)生重燃現(xiàn)象。當恢復(fù)電壓上升到并聯(lián)的非線性電阻氧化鋅吸能裝置的額定電壓時,吸能裝置導(dǎo)通,吸收掉這部分能量,使系統(tǒng)電流下降到零,至此完成1個直流開斷過程。自激振蕩開斷過程中的電壓電流波形如圖4所示。由圖4可以看出這種方式的直流斷路器開斷過程可劃分為3個階段:第1階段是強迫電流過零階段,第2階段是介質(zhì)恢復(fù)階段,第3階段是能量吸收階段。與交流斷路器不同的是斷路器的介質(zhì)恢復(fù)特性是高頻介質(zhì)的恢復(fù)特性。自激型的高壓直流斷路器無需輔助設(shè)備和控制系統(tǒng),簡單可靠。2.2.2交流交流全面開斷它激振蕩的并聯(lián)輔助回路與自激型相似,然而回路中的電容C有1個預(yù)充電過程,如圖5所示。斷路器處于合閘位置時,先用充電裝置將電容C預(yù)充電到一定的電壓。等到斷路器得到跳閘命令,觸頭開始分開時,開關(guān)K合上,并聯(lián)回路投入使用。電容放電產(chǎn)生的反向電流與通過斷路器的正向電流疊加,得到1個變化電流。當斷路器的開距達到額定開距時,變化電流到達電流零點時熄滅電弧,從而開斷電流。它激振蕩開斷過程中的電壓電流波形如圖6所示。由于并聯(lián)電路投入后在短時間內(nèi)產(chǎn)生變換電流并到達電流零點,此時斷路器觸頭很可能未達到額定開距。在前幾個電流零點處沒有辦法熄弧,觸頭達到額定開距后,電流過零,將電弧熄滅,達到截流目的。由上分析得知,它激振蕩型并聯(lián)回路直流斷路器是利用并聯(lián)回路中的電容電感元件使得流過斷路器觸頭的電流產(chǎn)生振幅增加的振蕩,并且在電弧電流到達零點的時候開斷電流,其截流時間和效果取決與直流電流的大小以及并聯(lián)回路的性能。因此它激振蕩型并聯(lián)回路直流斷路器對于截斷電流以及并聯(lián)回路元件值都有一定的要求。它激振蕩型并聯(lián)回路直流斷路器是利用充電電容電壓直接迫使流過斷路器觸頭的電流為零,其開斷能力比自激振蕩型并聯(lián)回路斷路器高,然而其充電回路較為復(fù)雜,相對來說成本較高。因此針對4kV及以下的直流電流,多采用自激振蕩型并聯(lián)回路,而針對4kV以上的電流,采用它激振蕩型并聯(lián)回路。3直流開關(guān)設(shè)備的操作雙極系統(tǒng)接線方式是特高壓直流輸電工程中采用的接線方式。可根據(jù)實際情況,通過金屬回路轉(zhuǎn)換斷路器(MRTB)、大地回路轉(zhuǎn)換斷路器(GRTS)、中性母線斷路器(NBS)、雙極運行中性線臨時接地開關(guān)(NBGS)及各種直流隔離開關(guān)操作完成雙極運行方式、單極大地回路方式、單極金屬回路方式和雙極線并聯(lián)大地回路運行方式接線的轉(zhuǎn)換。直流開關(guān)設(shè)備的操作同時確保了直流運行故障的保護切除、檢修的隔離等,提高了系統(tǒng)運行的靈活性和可用率。特高壓換流站主接線與直流開關(guān)設(shè)備配置圖見圖7。(1)中斷直流功率的輸送MRTB裝設(shè)于接地極線回路中,用以將直流電流從單極大地回線轉(zhuǎn)換到單級金屬回線,以保證轉(zhuǎn)換過程中不中斷直流功率的輸送。如果允許暫時中斷直流功率的輸送,則可不裝設(shè)MRTB。MRTB必須與GRTS聯(lián)合使用。GRTS合閘之后MRTB動作,建立2個并聯(lián)的回路,直流電流被分流,到達穩(wěn)態(tài)之后,MRTB動作進行電流轉(zhuǎn)換操作,轉(zhuǎn)換成功之后,和MRTB串聯(lián)的隔離開關(guān)將斷開,以確保MRTB不承受持續(xù)的電壓。(2)回線轉(zhuǎn)換成單極土地回線GRTS裝設(shè)在接地極線與極線之間。它是用于在不停運情況下,將直流電流從單極金屬回線轉(zhuǎn)換至單極大地回線。在GRTS動作之前,MRTB先合閘,建立大地回路和金屬回路2個并聯(lián)的回路,直流電流被分流,到達穩(wěn)態(tài)之后,GRTS動作進行電流轉(zhuǎn)換操作,轉(zhuǎn)換成功之后,和GRTS串聯(lián)的隔離開關(guān)將斷開,以確保GRTS不承受持續(xù)的電壓。(3)接枝器內(nèi)接枝當單極計劃停運時,換流器在沒有投旁通對的情況下閉鎖,換流器將使該極直流電流為零,NBS在無電流情況下分閘。這也是當換流器內(nèi)發(fā)生除了接地故障以外的故障時,利用NBS進行隔離的正常程序。當正常雙極運行時,如果1個極的內(nèi)部出現(xiàn)接地故障,故障極帶投旁通對閉鎖,則利用NBS將正常極注入接地故障點的直流電流轉(zhuǎn)換至接地線路。對于NBS,最苛工況是平波電抗器的線路側(cè)對地故障,換流器投旁通對,此時需NBS動作,將故障回路電流轉(zhuǎn)換到健全極回路中。(4)nbgs合閘NBGS裝設(shè)于中性線與換流站接地網(wǎng)之間。當接地極線路斷開時,不平衡電流將使中性母線電壓升高,為了防止雙極閉鎖,提高高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,利用NBGS的合閘來建立中性母線與大地的連接,以保持雙極繼續(xù)運行,從而提高了高壓直流輸電系統(tǒng)的可用率。當接地引線由于故障斷開時,中性母線電壓將不可控,此時NBGS合閘將系統(tǒng)轉(zhuǎn)為站內(nèi)接地,將中性母線電壓重新穩(wěn)定在零電位。當接地引線重新正常運行后,NBGS打開,將電流轉(zhuǎn)換到接地引線回路中。另外,當NBS無法進行轉(zhuǎn)換時,NBGS也可以提供臨時接地通路,以減少NBS的轉(zhuǎn)換電流。NBGS還有另一個作用,當NBS轉(zhuǎn)換失敗時,NBGS合閘提供臨時站內(nèi)接地。4合grts刀閘的復(fù)合首先合MRTB及其兩側(cè)刀閘,之后斷開與MRTB并聯(lián)的刀閘,再合GRTS及其兩側(cè)刀閘和至極2的刀閘,形成單極大地與金屬回路并聯(lián)運行。最后斷開MRTB完成轉(zhuǎn)換。(2)b串聯(lián)刀閘首先合MRTB及其兩側(cè)刀閘,之后合與MRTB并聯(lián)的刀閘,形成單極大地與金屬回路并聯(lián)運行。再斷開GRTS及其兩側(cè)刀閘和至極2的刀閘,最后斷開MRTB及其兩側(cè)刀閘完成轉(zhuǎn)換。5直