直流斷路器技術(shù)發(fā)展探究

趙穎

摘要：高壓直流輸電迫切需要高速、高速、經(jīng)濟的直流斷路器。分析了直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)，分析了機械式、全固態(tài)和混合式直流分斷方式的特點和應(yīng)用場合。指出混合強制換相方案和機械預(yù)充電手動過零方案更容易滿足高壓大容量直流系統(tǒng)的高速分斷要求。

關(guān)鍵詞：直流斷路器;發(fā)展探究;

引言

近年來，高壓直流輸電以其獨特的優(yōu)勢得到了廣泛的重視和應(yīng)用。與交流輸電相比，高壓直流輸電具有輸電線路建設(shè)成本低、功率調(diào)節(jié)簡單易行、無穩(wěn)定性問題等優(yōu)點，適用于特高壓、大容量、遠距離輸電。1954年，世界上第一個直流輸電工程（哥德蘭直流輸電工程）在瑞典投入商業(yè)運營;1989年，中國第一條±500千伏特高壓直流輸電線路建成投產(chǎn)。目前，世界上已有90多個高壓直流輸電工程投入運行，總?cè)萘砍^7萬兆瓦。國內(nèi)外專家認為，高壓直流電網(wǎng)作為風電集電平臺，可以避免交流電網(wǎng)電壓、頻率、功角等穩(wěn)定性問題，為隨機性強的風電并網(wǎng)提供解決方案。然而，它需要解決直流短路故障的隔離和排除問題，因此依賴于直流斷路器等新技術(shù)的發(fā)展。直流斷路器的發(fā)展有兩個難點：一是直流系統(tǒng)電流沒有自然過零，交流斷路器中成熟的滅弧技術(shù)無法應(yīng)用;二是直流系統(tǒng)感應(yīng)元件儲能巨大，大大增加了直流故障電流分斷的難度。

一、直流斷路器日益增長的需求

隨著柔性直流輸電及高壓多端直流電網(wǎng)的發(fā)展，對直流斷路器的性能提出了新的需求。

1高電壓、大電流

直流系統(tǒng)向多端、高電壓、大電流方向發(fā)展，部分適用于中低壓、小電流領(lǐng)域的直流開斷方法不能滿足直流斷路器的發(fā)展需求。

2高速開斷

直流斷路器的分斷速度不僅決定了直流系統(tǒng)其他關(guān)鍵部件的沖擊電流水平，而且決定了斷路器本身的分斷電流值。新型多終端高壓直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展，特別是柔性直流電網(wǎng)的發(fā)展，導(dǎo)致直流故障電流峰值大、上升速度快，這就要求研制超高速直流斷路器。

3高可靠性和經(jīng)濟性

與交流斷路器不同，直流斷路器若不能及時切斷，會使故障電流峰值增大。因此，直流系統(tǒng)比交流系統(tǒng)對斷路器的分斷可靠性有更高的要求。多終端直流系統(tǒng)的規(guī)模化發(fā)展需要大量的直流電直流斷路器在高壓大容量系統(tǒng)中的應(yīng)用受到直流斷路器固態(tài)器件的數(shù)量因素和價格因素的制約。因此，直流斷路器的發(fā)展應(yīng)從經(jīng)濟上加以考慮。

直流斷路器的分類與特性直流斷路器的拓撲原理復(fù)雜多樣。根據(jù)直流斷路器中關(guān)鍵分斷裝置的不同，直流斷路器可分為機械式直流斷路器、全固態(tài)直流斷路器、機械開關(guān)和固態(tài)開關(guān)混合式直流斷路器三大類。各種直流斷路器有不同的實現(xiàn)形式和拓撲結(jié)構(gòu)。

二、機械式直流斷路器

機械式直流斷路器將傳統(tǒng)的交流機械分斷單元應(yīng)用到不同的直流分斷拓撲中，完成直流分斷。

交流機械開關(guān)僅具有電流過零能力，而直流系統(tǒng)電流不具有自然過零能力。由交流機械開關(guān)構(gòu)成的直流斷路器，或人工電流過零完成直流分斷，或限制電流小到足以實現(xiàn)可靠的電流分斷。機械式直流斷路器的關(guān)鍵是為機械式分斷單元創(chuàng)造一個類似交流零點的分斷環(huán)境。根據(jù)分斷原理的不同，該斷路器可分為人工電流零分斷、限流分斷和其他分斷方式。

1人工電流零點法

這種直流斷路器主要由機械開關(guān)和反向電流組成發(fā)電支路和能量吸收支路由三部分組成。正常運行時，直流電流通過機械開關(guān)，運行損耗小。短路故障時，機械開關(guān)觸頭斷開并起弧，觸頭斷開一定距離后，反向電流產(chǎn)生支路傳導(dǎo)，產(chǎn)生高頻反向電流疊加在機械開關(guān)上形成“人工電流零”，斷路器利用本機滅弧，當機械開關(guān)兩端恢復(fù)電壓上升到一定值時，吸能支路傳導(dǎo)吸收直流系統(tǒng)的能量，完成直流故障解列。根據(jù)反向電流產(chǎn)生原理的不同，“人工電流零點法”可分為自激振蕩法、預(yù)充電振蕩法和其他人工調(diào)零方法。

2自激振蕩法

自激振蕩式“人工電流零點”法拓撲原理。反向電流產(chǎn)生支路由電容器C和電感L串聯(lián)而成。能量吸收支路由非線性電阻鋅避雷器組成。直流電流切斷時，電流斷路器的斷路器斷路器分閘滅弧，C、l回路自動激發(fā)幅值增大的振蕩電流;當振蕩電流幅值超過系統(tǒng)電流時，在斷路器內(nèi)形成振蕩過零點，并在斷路器斷口熄滅，氧化鋅避雷器吸收系統(tǒng)能量，最終完成中斷。上世紀80年代，BBC歐洲公司選擇了自己的Dilf 550千伏四斷口交流斷路器，成功研制出一臺500kv/2ka自激振蕩式高壓直流斷路器樣機，并于1985年2月安裝在太平洋直流聯(lián)網(wǎng)工程的CELILO換流站進行現(xiàn)場試驗。同時，西屋公司使用了改進的SF。研制成功了500kv/2.2ka自激振蕩高壓直流斷路器樣機，并通過了CELILO換流站的現(xiàn)場試驗。自激振蕩法具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、成本低等優(yōu)點，但分斷時間與電路參數(shù)密切相關(guān)，人工零點只能在幾十毫秒后形成，這種斷路器一般需要電弧電壓較高的SF。現(xiàn)有的操動機構(gòu)往往難以滿足高壓電弧機械開關(guān)超快驅(qū)動的要求。

2.1.1.2預(yù)充由操蕩注

預(yù)充電“人工電流零”法的拓撲原理。反向電流產(chǎn)生支路由電容器C、電感L、預(yù)充電裝置u和觸發(fā)開關(guān)K組成，當斷路器收到分閘命令時，斷路器分閘并起弧。當斷路器觸頭分離到足夠的分閘距離時，當k閉合時，LC支路產(chǎn)生反向電流，疊加在斷路器支路上形成電流零點，斷路器斷口電弧熄滅，系統(tǒng)的能量被氧化鋅避雷器吸收。預(yù)充電振蕩法只利用斷路器及其電弧的分斷原理在該方法中，分斷速度只與機械開關(guān)觸點的分斷速度、LC支路參數(shù)和開關(guān)K的閉合速度有關(guān)，可以實現(xiàn)直流電流的高速分斷。該拓撲需要增加電容充電電路、觸發(fā)開關(guān)K等單元。預(yù)充電振蕩的“人工電流零點法”是近年來備受關(guān)注的一種中斷方式，適用于高壓大電流場合。1972年，GE公司基于預(yù)充電振蕩過零原理，采用真空斷路器串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，研制出80kV/30kA直流斷路器樣機;1984年，日本東芝公司集成了真空斷路器反弧介質(zhì)快速恢復(fù)率和SF。利用斷路器大容量分斷能力的優(yōu)點，利用預(yù)充電振蕩過零原理，成功研制出250kV/1.2kA商用斷路器16;1985年，日立公司利用預(yù)充電振蕩過零成功研制出250kV/8kA直流斷路器原理，并進行了實驗室試驗。

3其他人工零點型式

其它的人工調(diào)零方法主要包括幾種特殊形式的耦合電感引入反向電流。反向電流產(chǎn)生支路由耦合電感器L2和電容器C組成。當發(fā)生直流故障時，快速上升的故障電流流過電感器ll，引起耦合電感L2的變化電流，該電流與故障電流相反。故障電流與可變電流的疊加，使機械開關(guān)主回路過零點，實現(xiàn)滅弧。

結(jié)語

高壓、大電流、高速分斷、高可靠性和經(jīng)濟性是多終端直流電網(wǎng)對高壓直流斷路器的新要求。目前，國內(nèi)外研究機構(gòu)在高壓直流斷路器的研制方面也在不斷的嘗試和努力，并在技術(shù)上取得了很大的突破。分析了機械式、全固態(tài)和混合式直流斷路器的原理、特點及其在新要求下的適用性。認為目前適合高壓直流輸電的直流斷路器方案有兩種：混合強制換流器式和機械預(yù)充手動過零式。為充分滿足直流輸電快速發(fā)展的需要，應(yīng)重點研究詳細的拓撲結(jié)構(gòu)、人工零點下機械開關(guān)滅弧單元的極限分斷能力、振蕩回路參數(shù)的優(yōu)化和快速機構(gòu)的研制;對于混合式直流斷路器，發(fā)展的重點是提高機械開關(guān)的運行速度，減少元器件數(shù)量，提高可靠性和經(jīng)濟性。

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