柔性電站用中壓直流快速隔離柜研究

付明志，秦 猛，孟憲樂，宋 波

（天津平高智能電氣有限公司，天津300300）

0 引言

隨著我國±500kV特高壓直流斷路器的成功研制，直流配電網作為新興配電網將快速發展，國家電網公司和那方電網公司都在積極推進直流輸電和配電網示范工程建設［1］。典型的有張北±500 kV多端柔性直流電網示范工程，張北小二臺多端柔性變電站工程。直流斷路器成本過高，成為制約直流斷路器中低壓直流配電網和變電站的應用的主要因素［2］。目前國內高校和科研院所正在探索一條新的思路，采用直流快速隔離開關與電力電子變壓器或直流換流閥相結合來代替直流斷路器，實現直流電力系統故障分斷與隔離功能［3］。電力電子變壓器作為可任意調節輸入輸出電壓等級、電能質量的新型電力設備，越來越受到重視［4］。對于成本要求較高的中低壓直流配電網，研制出具備直流快速開斷能力且成本低廉的直流快速隔離開關柜十分必要，配合電力電子變壓器實現電能控制與調節［5］。

1 快速隔離柜電氣設計

快速隔離柜主要由磁控快速開關、儲能電容器、控制保護裝置、高壓PT與光CT、高壓隔離型晶閘管觸發電路、充電機、地刀、智能電能表、配電二次回路等組成。充電機負責給儲能電容器充電，保障電容器時刻保持帶電狀態。高壓PT和光CT用于采集直流系統的高電壓和系統電流。儲能電容用于存儲快速隔離開關分合閘所需要的電能。高壓隔離型晶閘管觸發電路用于將控制保護裝置下發的光觸發信號轉化成適合于晶閘管控制的電信號，控制晶閘管導通，驅動快速開關的分合閘控制操作。控制保護裝置用于快速隔離柜新新采集、快速開關的控制欲保護、與柔變控制保護系統和后臺控制保護系統通信以及控制保護邏輯與故障連鎖。

通過控制保護裝置的觸摸屏直接對充電機進行控制，調節設定電壓以及參數讀取等。避免打開關高壓柜門等危險的操作。光CT采用全球能源互聯網研究院研制的1 250 A直流電流傳感器，采樣頻率為16 kHz，通信數據長度55位，電流數長為24位，接受同步采樣脈沖控制。

2 快速隔離柜控制保護裝置

2.1 控制保護啊裝置硬件設計

張北多端口交直流混合變電站主要功能是將光伏電站發出的新能源直流電能升壓至±10 kV輸送到阿里巴巴數據港，阿里巴巴數據港對供電安全穩定性要求極高，因此，快速隔離柜控制保護裝置按照特高壓直流輸電的相關標準設計，控制架構如圖1所示。

圖1 快速隔離柜控制保護裝置架構

控制保護裝置外殼采用4U標準機箱，能夠起到屏蔽作用。觸摸屏采用7in低溫型彩色觸摸屏，屏幕在零下40℃以上可以正常工作。主處理芯片采用美國TI公司28377系列DSP，數據采集與觸發邏輯采用ALTERA公司颶風系列FPGA來完成，并通過并行總線供DSP訪問。控制保護裝置具備2個以太網通信接口，2個光纖通信接口、3路485通信接口、1個B碼校時通信接口，以及多路DI、DO接口。控制保護裝置具備故障錄波功能，存儲介質為SD卡。記錄系統電壓、電流、溫度、分合閘次數、遠程控制指令等功能。對重要的信息可以長期保存功能，對于非重要數據可以進行定周期循環更新。

2.2 控制保護裝置軟件設計

快速隔離柜的程序分為對外通信、信號采集與處理、晶閘管觸發控制、人機界面顯示與參數設置、故障綜合與保護、狀態判斷與分合閘控制等。分合閘控制是快速隔離柜最核心的控制過程，保證快速隔離柜和直流配電系統的安全。對外通信包括485通信、以太網通信和光纖通信。信號采集與處理程序主要是電壓、電流、溫度等物理信號采集、濾波與處理程序。晶閘管觸發控制程序主要完成晶閘管觸發信號的生成、驅動脈沖的整形與調節控制。人機界面程序包括液晶屏程序和DSP程序兩部分，通過RS232接口實現參數顯示與設置功能。故障綜合與保護程序主要完成對快速隔離柜狀態以及控制保護裝置狀態的判斷，綜合故障狀態，對分合閘操作進行綜合保護。

分斷過程是直流系統快速開關的關鍵動作，分斷能力是考核快速直流開關的重要技術指標。斷路器和開關的大部分故障都發生在分斷操作過程，因此對快速隔離柜分斷控制進行詳細分析，根據±10kV雙極直流配電系統技術特點和快速開關自身的技術特點，設計分段過程子程序控制流程，如圖2所示。

圖2 分閘子程序邏輯圖

3 快速隔離柜試驗

理論上，對于電磁快速開關來說，只要電容C預充電電壓足夠高，電容存儲的電能足夠大，放電線圈的電感盡可能小，開關與電磁機構的距離足夠小，快速開關就能實現超高速動作。但在實際應用中，由于各方面條件的限制和使用場合的要求，考慮到功能的可實現性，防止開斷速度太快引起觸頭彈跳甚至電弧重燃等因素，電容容值為2 000 uF，合閘電容電壓值620 V，分閘電容電壓值715 V。快速開關斥力盤與線圈初始距離為2 mm，動觸頭行程25 mm，絕緣拉桿半徑為25 mm。

在公司試驗中心進行直流快速隔離開關柜的開斷試驗，試驗電壓為直流10 kV,測得試驗曲線如圖3、4所示。分斷響應時間為600 μs左右，完全分斷時間為3.2 ms左右，回彈穩定時間為1.1 ms左右，觸頭跳動回彈等在合理范圍之內。直流快速隔離柜開斷過程滿足設計指標以及工程要求。合閘時間在4.1 ms左右，合閘曲線能夠滿足設計指標及工程要求。

圖4 快速隔離開關合閘過程曲線

4 結論

通過以上分析及現場實際應用效果發現，快速隔離柜配合電力電子變壓器或直流換流閥能夠實現替代直流斷路器的功能，達到了預期的設計要求。本方案可以在5ms內實現系統故障的快速隔離，保護直流供電系統的安全穩定運行。2018年1月，該產品已成功應用于張北小二臺阿里巴巴數據港創新中心的多端交直流混合柔性變電站項目。