孤島方式下高壓直流斷路器帶電的暫態特性分析

衛宇辰 郭小江 候永超

摘要：高壓直流斷路器的使用對于直流電網系統特別是柔性直流電網的發展有著重要意義。高壓直流斷路器使得柔性直流輸電可以成網運行，有效提高了柔性直流的輸電容量和可靠性，產生了更多的運行方式。但在實際運用過程中，由于高壓直流斷路器的結構和開斷原理不同于交流斷路器，再加上直流電的特性不同于交流電，兩側隔離開關在合上的過程中會產生較大的電弧，對于運行安全產生了一定的影響。鑒于此，分析了現有高壓直流斷路器兩側刀閘合上時產生電弧的原因，并進行了仿真模擬，對于高壓直流斷路器的設計、應用和安全運行具有良好的借鑒意義。

關鍵詞：高壓直流斷路器;柔性直流電網;電弧;運行安全

0 引言

采用全控型器件作為換流模塊的柔性直流輸電技術，由于其換流閥的高度可控性，可以方便地實現功率潮流反轉、四象限運行、提供無功支撐等。相比于傳統直流輸電技術，不會換相失敗的特性使得柔性直流輸電技術能夠在孤島方式下進行遠距離、大功率的能源傳輸，而不需要送端與受端都有可靠交流電網的支撐。

柔性直流電網可以進一步提高柔性直流輸電技術的可靠性，但遠距離輸電線路瞬時故障則可能引起兩端換流閥全部閉鎖，進而大大影響輸電可靠性。因此，具備重合閘功能的高壓直流斷路器對于柔性直流電網尤為重要。

世界上首個柔性直流電網工程是中國的“±500 kV張北可再生能源柔性直流電網示范工程”，該工程使用了多種不同拓撲結構的混合式直流斷路器，本文稱其為高壓直流斷路器。

1 高壓直流斷路器簡介

直流斷路器可以分為三類：機械式直流斷路器、固態式直流斷路器、混合式直流斷路器。其中，混合式直流斷路器，即高壓直流斷路器無分斷死區，高度可控，具備重合閘能力，基本可以滿足柔性直流電網的要求，是目前主流的發展路線。

高壓直流斷路器的基本拓撲結構如圖1所示。

高壓直流斷路器主支路主要發揮兩個作用：一是高壓直流斷路器在合位狀態時采用主支路通流，以實現較小的通態損耗;二是在需要高壓直流斷路器切斷電流時，主支路形成機械斷口，實現該支路的有效隔離。

轉移支路是高壓直流斷路器實現其功能的主要手段，原理是利用多層級聯的IGBT器件，疊加電流關斷和反向承壓能力，在主支路形成斷口之后，將直流電流關斷，并通過耗能支路消耗殘余的電能。

耗能支路也是高壓直流斷路器必不可少的組成部分。耗能支路是由MOV非線性電阻組合而成，利用其高阻態的特性，吸收開斷電流后的殘余能量，將電流迅速下降到可接受的范圍。MOV每次吸收能量以后，需要一定的時間才能恢復絕緣強度，在此期間高壓直流斷路器的開斷能力會受到影響。

高壓直流斷路器工作時，先將轉移支路導通，然后斷開主支路形成斷口，接著斷開轉移支路的電力電子開關，通過耗能支路消耗能量。可見，無論是通態還是斷態，轉移支路和耗能支路始終并聯在直流線路中。

在高壓直流斷路器基本拓撲結構的基礎上，還有多種改進的高壓直流斷路器，如：（1）主支路電力電子式，通過在主支路增加電力電子開關以提高主支路的開斷能力。（2）耦合負壓裝置式，通過在轉移支路增加耦合負壓裝置，在開斷瞬間利用耦合裝置產生的反向感應電流，在轉移支路形成人工過零點，減輕IGBT在關斷過程中的負擔，將能量更多地消耗在耗能支路上。

2 高壓直流斷路器的運行特點

高壓直流斷路器利用級聯的IGBT來進行直流電流的關斷。其主支路包含機械斷口，而與主支路并聯的轉移支路和耗能支路并沒有真正斷口，即使在高壓直流斷路器分位的情況下，依然串聯在線路之中。

2.1 ? ?IGBT開斷直流電流的特點

2012年，ABB公司提出基于IGBT直接串聯的混合式直流斷路器方案，開發出額定電壓80 kV、分斷電流9 kA、分斷時間3 ms的樣機。

IGBT相較于帶有滅弧裝置的斷路器，其分斷能力較小，通態損耗較大，通過級聯的方式實現開斷大電流的功能。

因為每個IGBT收到觸發信號的狀態不完全同步，自身關斷的速度也不完全相同，所以工程上無法實現多個串聯的IGBT同時導通和關斷。如果不采取一定的措施來削弱級聯IGBT不同步的影響，將會嚴重影響開斷功能。

2.2 ? ?IGBT通斷狀態不同步的影響

轉移支路是IGBT級聯規模較大的支路，也是電力電子器件發揮作用的主要支路。

在高壓直流斷路器分位，一側的線路達到額定電壓500 kV的狀態下，需要合上高壓直流斷路器時，先合上機械開關，再合主支路的電力電子開關。此時由于本身電流較小，通斷不同步問題產生的影響可以忽略不計。

在高壓直流斷路器合位，一側電壓為500 kV，另一側發生接地，電壓為零，電流為額定電流3 kA的狀態下，需要拉開高壓直流斷路器時，先導通轉移支路的電力電子開關，這個過程由于主支路的分流作用，通斷不同步問題的影響較小。在轉移支路導通后，關斷主支路的IGBT，之后拉開主支路的機械開關，由于轉移支路的分流作用，通斷不同步問題的影響也較小。之后，通過關斷轉移支路的IBGT實現直流電流的切斷，此時通斷不同步的問題將產生很大影響。

以320個IGBT模塊串聯為例，每個IGBT模塊的導通時刻都不一致。首先導通的IGBT模塊稱為T1，第二個稱為T2，依次類推。在T1開斷而T2尚未開斷的時刻，相當于T1承受了將近500 kV的電壓，如果T2未及時開斷，T1將被擊穿損壞，而后若T3未及時開斷，T2也會損壞。如果已損壞的IGBT被擊穿成為短路狀態，當剩下的IBGT個數不足以耐受500 kV電壓時，所有的IBGT都將被擊穿，造成嚴重后果。

2.3 ? ?阻容分壓的作用

增加IGBT的冗余個數可以降低高壓直流斷路器被全部擊穿的風險。

盡量縮短IGBT之間的導通或關斷時間間隔，可以避免IGBT被擊穿的情況，需要考慮的有光信號的控制、產生和傳輸以及每個IGBT的關斷速度。

在每個IGBT模塊上并聯電容，利用電容電壓不可突變的特性實現IGBT模塊之間的均壓，是可行性較高的方案。

2.4 ? ?并聯電容對斷路器功能的影響

由于高壓直流斷路器應用在直流輸電領域，電容的使用對穩定運行時的系統幾乎沒有影響，但對開關本身帶電的暫態過程、開斷直流電流的暫態過程影響較大。

開斷直流電流的暫態過程由于電容的使用，電壓變化更加平緩，有利于功能的實現。而高壓直流斷路器本身從冷備用到熱備用的操作，由于電容的加入，其實相當于設備帶電、給電容充電的過程。

正是由于這樣的拓撲結構，即使在分位，高壓直流斷路器仍然沒有真正斷口，并不能實現電氣隔離的功能。

3 高壓直流斷路器帶電的仿真分析

下面以張北柔直工程中一臺高壓直流斷路器的狀態為例，分析孤島狀態下進行極連接操作后高壓直流斷路器的狀態變化。

在孤島狀態下，正極所有設備為冷備用狀態，金屬回線及接地極投入運行，此時線路為+500 kV帶電狀態，進行極連接操作后，高壓直流斷路器仍處于分位，其他開關刀閘均處于合位。

以正極的一個高壓直流斷路器為例，高壓直流斷路器通過二極管與上橋臂的換流閥子模塊中的電容串聯，再經由下橋臂的二極管與換流閥子模塊中的電容串聯，然后通過金屬回線連通到接地極，從而形成由多電容、二極管、充電電阻、橋臂電抗器、平波電抗器、線路構成的一個帶二極管的RLC振蕩回路。需要注意的是，由于二極管的存在，電流第一次出現反向時振蕩過程就截止了，開始緩慢放電。

高壓直流斷路器帶電的過程，可以簡化為二階電路對階躍電壓的零狀態響應。

3.1 ? ?電氣量

若限流電抗器的電感為L1，橋臂電抗器的電感為L2，單個橋臂電容的等效值為C1，高壓直流斷路器的轉移支路的總電容為C2，均壓電容本身串聯的總電阻為R1，直流啟動電阻為R0。由于線路及連接處電阻不到R1和R0的千分之一，計算中忽略不計。

3.2 ? ?電流未過零階段的等量關系

根據基爾霍夫定律，可以列寫下式：

US=UC+UL+UR+UD

式中：US為階躍的電壓輸入;UC為等效電容兩端的電壓;UL為等效電感兩端的電壓;UR為等效電阻兩端的電壓;UD為線路中所有二極管串聯的總電壓，在電流正向流過時，UD視為0。

充電結束后電容的電壓保持相對穩定的狀態，電流為零。由于二極管的作用，電流第一次過零時，充電過程就結束，因此重點關注電流的變化情況。

3.3 ? ?欠阻尼振蕩充電

此時，線路的衰減常數T1=2.607×10-4 s，T2=6.394×10-4 s，在t=1 s時刻加電壓，自由充電過程如圖4所示。

考慮二極管的截止作用，電流的變化情況如圖5所示。

電流峰值為150 A，在0.659 ms時過零。過零時刻，非電容器件承壓276.94 V。

3.5 ? ?分析總結

在過阻尼的情況下，電流峰值較欠阻尼的峰值下降了25%，峰值到達時間延遲約0.01 ms，過零時刻延遲約0.07 ms，電容以外器件承壓略有降低。

4 高壓直流斷路器的應用問題

4.1 ? ?電弧的產生

由于在刀閘合閘的過程中，斷口電壓近似500 kV，當斷口間距小于0.167 m時，斷口間的場強達到3×106 V/m，空氣將被擊穿。在充電過程中，電弧能夠穩定燃燒，直至刀閘合上或者電流達到過零時刻。

由于刀閘合閘的機械運動時間較長，觸頭斷口從15 cm到合上仍需5 s左右的時間，因此主要燃弧時間即為電流首次過零所需時間。

電弧的產生對于閥廳內設備的安全造成了一定影響，一般電力電子設備閥廳需配備紫外或紅外的火焰探測器，電弧也會對消防設施造成干擾。

4.2 ? ?電弧問題的解決思路

雖然通過串聯阻值更大的充電電阻可以降低電流，但會使電流過零更慢到達過零時刻，延長了電弧持續的時間。

高壓直流斷路器的工作特性使得電弧的產生不可避免，可以考慮在高壓直流斷路器兩側加裝滅弧裝置。

在高壓直流斷路器的兩側加裝SF6氣體填充的交流斷路器，雖然不具備直流電流的開斷能力，但可以進行帶電時的最后一步合閘，為較小的直流電弧提供熄滅場所。

5 結語

混合式高壓直流斷路器由于結構特點，在冷備用狀態轉向熱備用，即從無電到帶電的過程中可能產生電弧，可采用帶有滅弧室的機械端口輔助配合帶電過程。

高壓直流斷路器、SF6斷路器、直流刀閘互相配合，斷開時有真正的斷口，可以實現熱備用、冷備用、檢修狀態的簡單切換，正常運行產生較小的通態損耗，具備開斷故障電流和實現重合閘的能力，實現轉換系統運行方式、構建直流電網的功能。

[參考文獻]

[1] 張翔宇，余占清，黃瑜瓏，等.500 kV耦合負壓換流型混合式直流斷路器原理與研制[J].全球能源互聯網，2018，1（4）：413-422.

[2] DERAKHSHANFAR R，JONSSON T U，STEIGER U，et al.Hybrid HVDC Breaker-A Solution for Future HVDC System[C]//CIGRE 2014 session， Paris： B4-304.

收稿日期：2021-03-25

作者簡介：衛宇辰（1996—），男，山西陽城人，助理工程師，研究方向：柔性直流輸電技術。