高壓直流斷路器研究

戴欽來 朱 泉 沈慶赟 李小剛

（國網江西省電力有限公司檢修分公司）

0 引言

近年來，高壓直流輸電電路憑借其電路建設成本費用較低、功能調節效果良好和運行暢通、安全穩定等諸多優勢，打敗了傳統模式下的交流輸電電路，在超高壓、大容量甚至遠距離的直流輸電過程中得到了廣泛應用，更進一步憑借直流電網在高壓直流輸電、新能源應用開發甚至軌道牽引市場以及未來智慧城市建設配網方面奠定了良好的應用基礎。在此條件下，直流斷路器作為重要控制元器件設備，是高壓直流電網安全運行和穩定可靠的重要設備保證。然而，直流斷路器在現階段的技術尚不成熟，因此，對高壓直流斷路器常用性能進行梳理和故障處理方案進行研究有其強烈的理論意義和實踐應用價值。

1 直流斷路器在直流系統中的功能要求

直流斷路器在直流斷路系統中的功能要求主要包括中性母線斷路器功能、中性母線接地斷路器功能、金屬回路轉換斷路器功能和大地回路轉換斷路器功能四大部分。就中心母線斷路器功能需求而言，在直流系統具備兩端換流器的基礎上，由于換路器兩端都含有一臺中性母線斷路器設備，而該斷路器設備能夠滿足高壓直流斷路系統在換流站和直流輸電線上發生任何故障快速斷開的需要。同時，中性母線斷路器設備的開斷裝置能夠完美實現閉合、分開和閉合的無限操作循環，也就是說，中性母線斷路器設備斷開裝置能夠建立閉合、分開、閉合的循環操作模式，加強對操作機構的充電，避免斷路器在轉換失敗或電機電量不足等諸多狀況下的直流電路斷開功能故障，以此確保中性母線斷路器設備開斷裝置可靠實現閉合功能。

2 直流斷路器的主要性能

2.1 絕緣性能

直流斷路器的絕緣性能主要包括額定運行電壓狀況和絕緣水平以及絕緣強度等。一般而言，直流斷路器額定運行電壓主要是指在直流斷路系統中，斷路器在規定的正常使用條件下，能夠完成連續運行功能和確保直流斷路器其他性能完美實現的額定電壓。通常情況下，直流斷路器額定運行電壓為1～100kV。同時，直流斷路器的絕緣水平以及絕緣強度考核指標除了額定短時工頻耐受電壓外，更進一步加入了額定沖擊耐受電壓為取值判斷標準，判斷直流電路器的絕緣性。

2.2 電流轉換性能

直流斷路器的電流轉換性能主要是為了改變直流斷路系統中斷路器的運行方式，一般而言，在外界環境無冷卻的基本條件下，MRTB和ERTB具備連續轉換兩次電流的轉換能力。也就是說，該兩類直流斷路器能夠在電路分閘后的電弧不熄滅期間快速使斷路器重新合閘后再進一步分閘。對于被保護的直流斷路系統斷路器而言，中性母線斷路器和中性母線接地斷路器能夠滿足直流斷路系統的一次轉換功能，而該類直流斷路系統的轉換性能是根據不同斷路器的交流性能要求所實現的，斷路器轉移額定電流次數的能力，也就是斷路器的實際電壽命，往往是由具體的直流輸電系統和直流輸電工程運行能力及運行要求確定的，該值一般不低于1000次。

2.3 環境耐受性能

直流斷路器在周圍外界環境條件下安全穩定運行的功能狀態，也就是直流電路器系統對周圍環境的耐受性。該類周圍環境條件主要包括海拔高度、環境溫度、環境污穢等級三大部分。就環境溫度問題而言，直流電路器周圍環境溫度過低，往往會使直流斷路系統中斷路器的潤滑油黏度不斷增加，直接影響直流斷路器的分閘和合閘速度，還會進一步使直流斷路器的潤滑油中部分氣體液化，將大幅度降低直流斷路系統的開斷性能。周圍溫度過高，會導致直流斷路系統導電回路溫度不斷升高，使斷路器潤滑油中的部分氣體壓力隨之增大，影響直流斷路系統的穩定運行。

3 基于高壓直流斷路器的直流故障處理方案

3.1 拓撲結構

通常情況下，為了克服直流電路故障系統處理方案的缺陷，可借助組合式高壓直流斷路器拓撲結構，改善直流電輸送功能。以高壓直流斷路器單極結構的直流輸電系統為例，該輸電模式下的直流斷路器基本拓撲結構主短路部分如下圖所示，該類組合往往分為主斷路器部分和分斷路器部分。其中，主斷路器部分主要包括短路式斷流開關以及隔離開關，分斷路器部分則主要包括直流系統中的電流轉移開關、超快速機械開關以及輔助放電電路三大部分。在該模式的高壓直流斷路器直流故障處理過程中，主動短路式斷流開關是該組合直流斷路系統的重要核心設備，直接決定了該直流系統的斷路器開斷能力。與傳統模式下的混合式直流斷系統的主斷路器功能相似，該系統中的主動短路式斷流開關可借助多開關單元串聯方式體現斷路器功能結構。但與傳統模式下的混合式直流斷路器系統不同的是，組合狀態下的主斷路器能利用主動短路式斷流開關所具備的單項斷流能力，使其在同等斷流性能下所需的單向串聯IGBT個數大幅度減小，以此確保主動斷路式斷流開關運行過程中兩側的電壓差和設計斷流能力符合功能標準。

圖 直流斷路器基本拓撲結構主短路部分

3.2 直流故障處理策略

組合式高壓直流斷路器系統的直流故障處理過程主要包括以下四個部分，首先，在高壓直流斷路系統發生接地故障時，系統會在同一時刻檢測到故障電流的存在，并主動立即開啟主動式斷流開關以及輔助開關，以施加閉合信號方式完成整個接地故障信號的接受與處理過程，開關的閉合能使直流斷路高壓系統連接處的電壓快速下降為零，使換流器直流側所流出的電流分別流入故障點和輔助放電電路點，以主動斷路式斷流開關的等效電阻值大小為標準，完成電流分配過程。在短暫延遲后，在t1時刻對直流電路系統的電流進行開關轉移，并對開關內部的IGBT釋放關閉信號，使電流迅速下降為零，該情形下的換流器兩側所流出電流僅僅流入主動式斷路開關，實現高壓直流線路中故障點和換流器之間的初步隔離。緊接著，電流轉移開關開啟并完成電流開斷。其中，對高壓直流電路系統中的超快速機械開關施加開斷信號，以此實現高壓直流系統中換流器和故障線路的物理隔離。最后，在超快速機械開關打開后的t2時刻，對主動斷路式斷流開關中的IGBT施加關閉信號，使整個高壓直流電路系統的剩余能量能借助開關內部避雷器泄放，完成整個高壓直流電路故障處理過程。

3.3 故障檢測及保護策略

在組合式高壓直流斷路系統所提出的直流斷路器方案基礎上，本文進一步提出了具備直流故障清除能力的換流站控制方法，對高壓直流電路系統故障區域進行快速檢測和及時故障消除，實現高壓直流斷路系統安全穩定運行和功能實現。在通常情況下，高壓直流斷路器系統的網絡架空線路選擇的是具備保護策略的全線速動功能，以此區別高壓直流開關事故、交流側事故、換流器故障等地區以外事故，以此避免故障檢測失誤而導致的高壓直流斷路系統功能檢測失敗。與傳統模式下的直流電路系統輸電方式保護方案相類同，組合式的高壓直流斷路器在整個系統輸電過程中所采用的行波保護、電流縱差保護以及微分欠電壓保護方式等，具備動作性能快速便捷且不需遠程通信等諸多優勢，能進一步以高壓和低壓轉換后的低電壓保護模式和電流縱橫差保護模式等作為高壓電路直流斷路系統的后備保護措施，確保對高壓直流斷路器直流故障的快速處理。

4 結束語

本文在梳理高壓直流斷路器在直流系統中的功能需求以及主要性能的基礎上，對基于高壓直流斷路器的直流故障處理方案中的拓撲結構、故障處理策略以及故障檢測和保護策略等進行全面梳理，在保證高壓直流電路系統故障處理速度和安全穩定的基本前提下，大幅度降低故障設備投入以及不斷提高經濟效益等，也為改善高壓直流電路系統故障處理技術帶來了更多思考。