高壓直流斷路器在張北柔性直流電網中的應用

李金卜,李振動,劉憲輝,金海望,張增明

(國網冀北電力有限公司超高壓分公司,北京 102488)

0 引言

高壓直流斷路器要求在幾毫秒內切除系統中發生的短路故障,并快速、可靠地實現對系統中故障部分隔離及重合閘,是構建柔性直流電網的關鍵設備之一[1-3]。目前高壓直流斷路器主要有3種技術路線,一是依靠轉移支路產生反向高頻振蕩電流疊加到主支路使電流過零的機械式高壓直流斷路器[4-7];二是靠轉移支路耦合產生負壓強制電流轉移的耦合負壓式直流斷路器[8-10];三是依靠電力電子器件進行強制電流轉移的混合式高壓直流斷路器[11-13]。上述3種技術路線的500 kV直流斷路器應用于張北柔性直流工程中,均為首臺首套高壓直流斷路器。目前對高壓直流斷路器的研究主要集中在拓撲結構、供能系統、性能試驗,對直流斷路器在現場的實際應用情況分析較少。本文介紹了3種不同技術路線的500 kV高壓直流斷路器的拓撲結構,通過工程現場實際短路接地故障,驗證了500 kV高壓直流斷路器能夠在3 ms內可靠切斷故障電流,最后比較了3種不同技術路線的高壓斷路器實際工作特性。

1 高壓直流斷路器拓撲結構

1.1 機械式高壓直流斷路器拓撲結構

500 kV機械式高壓直流斷路器共設計4條支路,分別為主支路、轉移支路、耗能支路和緩沖回路,如圖1所示。主支路采用12個51.5 kV的快速機械斷路器串聯,每一快速機械并聯一層耗能支路避雷器,實現每個斷口的均壓;緩沖回路并聯在主支路兩端,主要是由緩沖電容C3、緩沖電容并聯電阻R3及緩沖電阻R5組成,實現快速開斷過程中緩沖主支路電壓上升率的作用;轉移支路采用儲能電容C2、振蕩電感L、充電電容C1、儲能電容放電電阻R5、充電電容限流電阻R4、充電電容均壓電阻R1、儲能電容均壓電阻R2、放電避雷器MOV、集成門極換流晶閘管(integrated gate commutated thyristors,IGCT)模塊組成,實現在電流分斷過程中產生高頻振蕩電流,疊加在主支路實現電流過流完成開斷。耗能支路采用12組避雷器串聯組成,每組避雷器采用“內并5外并10”結構,每組避雷器并聯在主支路快速機械斷路器兩端,實現快速機械斷路器的靜態和動態均壓,在電流分斷過程中消耗能量194 MJ。

圖1 機械式高壓直流斷路器拓撲圖

1.2 耦合負壓式高壓直流斷路器拓撲結構

耦合負壓式混合型高壓直流斷路器拓撲如圖2所示。主支路共有8個快速真空機械斷路器斷口串聯,1個冗余。轉移支路電力電子開關整體采用交叉橋式單元作為電力電子開關串聯子模塊,串聯個數為320個子模塊,其中冗余量10%。每個子模塊中,選用2個IEGT并聯作為主開關器件,選用4個普通整流二極管形成二極管全橋導通雙向電流,并使用加速電流衰減的緩沖支路和避雷器實現動態均壓和過壓保護,使用靜態均壓電阻實現靜態直流均壓。

圖2 耦合負壓式高壓直流斷路器拓撲圖

轉移支路與電力電子開關串聯的還有1支耦合負壓回路,該耦合負壓裝置為可控電壓源,原邊和副邊線圈進行耦合,耦合到副邊瞬時產生一個反向電動勢,使轉移支路通態壓降低于主通流支路的壓降,從而迫使電流從主支路電流向轉移支路轉移。

耗能支路共有5層,避雷器組采用“內并5外并10”共50組避雷器,故避雷器總吸能為194 MJ。

1.3 混合式高壓直流斷路器拓撲結構

混合式高壓直流斷路器主要由3條支路構成,分別是用于長期導通直流系統電流的主支路、用于短時承受系統故障電流的轉移支路和吸收故障電流能量的耗能支路。圖3為混合式高壓直流斷路器的主拓撲圖,其主支路快速機械斷路器采用10斷口串聯,快速機械斷路器需要在2 ms內達到有效的絕緣開距。主支路電力電子開關包括IGBT閥組、旁路開關、避雷器、供能設備及冷卻系統。轉移支路由10組53.5 kV閥組單元串聯構成,需要承受和關斷25 kA的故障電流,關斷殘壓約800 kV。每個電力電子開關子單元包括IGBT閥組、二極管閥組及避雷器單元。

圖3 混合式高壓直流斷路器拓撲圖

2 高壓直流斷路器開斷電流試驗

張北柔性直流電網中延慶站、中都站額定容量3000 MW,康巴站、阜康站額定容量1500 MW,試驗前張北柔性直流電網四端運行,延慶站定直流電壓,其他3站定功率,功率為零,運行電壓為500 kV,張北柔性電網高壓直流斷路器配置及故障點如圖4所示。進行接地短路試驗,保護動作正確,高壓直流斷路器成功分閘。

圖4 張北四端柔性直流電網

機械式高壓直流斷路器分斷過程如圖5所示。

圖5 機械式高壓直流斷路器分斷過程

t1時刻:斷路器接收到保護動作命令,快速斷路器執行分閘命令;

t2時刻:轉移支路IGCT觸發導通,電感、電容開始振蕩,轉移支路振蕩電流與主支路電流進行疊加,主支路產生電流過零點,主支路快速斷路器熄弧,主支路電流開斷;

t3時刻:線路對轉移支路電容充電,電容器充電完成后線路電流開始下降,避雷器兩端建立斷口過電壓,避雷器動作,線路電流轉移至避雷器回路;

t3-t4時刻:短路電流流過避雷器支路,部分短路電流流過轉移支路,轉移支路導通10 ms至t4時刻關斷,轉移支路流過故障電流減小至零。短路電流全部流過避雷器支路,避雷器殘壓高于系統運行電壓,故障電流逐步衰減,故障清除。

耦合負壓式高壓直流斷路器分斷過程如圖6所示。

圖6 耦合負壓式高壓直流斷路器分斷過程

t1時刻:主支路機械斷路器開始分閘,同時閉合轉移支路電力電子開關。由于機械斷路器的機械慣性,觸頭間距繼續增加;

t2時刻:經過短暫延時,t2時刻觸發耦合負壓裝置,此時產生正向和反向電壓,迫使主支路電流換流到轉移支路;

t3時刻:由電力電子開關承受故障短路電流,轉移電流完成后,耦合負壓回路相當于一個串聯電感,不影響電力電子開關的導通和關斷,觸頭間距繼續增加,觸頭間隙建立能夠承擔大電壓的絕緣開距后,t3時刻電力電子開關關斷。電力電子開關分斷后,電流又開始向耗能支路轉移,達到避雷器兩端動作電壓時,避雷器起作用開始吸能,使電流開始衰減,直到故障電流清除。

混合式高壓直流斷路器分斷過程如圖7所示。

圖7 混合式高壓直流斷路器分斷過程

t1時刻:直流斷路器在t1時刻接收到下達的分閘指令,主支路電力電子開關閉鎖,同時導通轉移支路電力電子開關。主支路電力電子開關閉鎖后,其內部電容充電建立暫態電壓,此時主支路的阻抗遠大于轉移支路阻抗,強迫電流換流到轉移支路;

t2時刻:轉移支路電力電子開關閉鎖,子模塊中的電容充電建立起暫態電壓,當電壓超過避雷器動作電壓時,電流換流至耗能支路。故障電流流過耗能支路,故障電流逐漸衰減至零。

3 3種技術路線高壓直流斷路器對比分析

3.1 主支路換流過程

機械式高壓直流斷路器在開斷過程中,主支路機械斷路器先斷開拉弧。經過2 ms延時轉移支路導通IGCT產生正反向高頻振蕩電流與主支路電流疊加。

耦合負壓式高壓直流斷路器在開斷過程中,主支路機械斷路器先斷開拉弧,機械斷路器分閘同時導通轉移支路電力電子開關,下一時刻觸發耦合負壓裝置,使轉移支路壓降低于主支路弧壓,則直流短路電流就會從高電勢流向低電勢,換流到轉移支路。

混合式高壓直流斷路器在開斷過程中,導通轉移支路電力電子開關,關斷轉移支路電力電子開關,將電流由主支路轉移到轉移支路后,拉開主支路機械斷路器,機械斷路器無需拉弧。

3.2 轉移支路換流過程

機械式高壓直流斷路器主支路斷開后,轉移支路電容充電達到耗能支路避雷器動作電壓,轉移支路導通狀態下存在250 kV的電容電壓,該電容電壓與轉移支路閥均電壓阻、閥廳母線側對地等效阻抗、線路側對地等效阻抗形成閉合回路,并對電容電壓根據各自阻抗大小進行分壓,如圖8所示,導致直流母線電壓出現過壓。

圖8 機械式高壓直流斷路器等效回路

圖9為機械式斷路器分閘時的直流母線電壓波形,在分閘過程中,直流母線電壓抬高到-700 kV,因此在設計直流母線過電壓保護時,應注意躲過機械式斷路器分閘過程中的暫態過壓,防止保護誤動作。

圖9 機械式高壓直流斷路器分閘時直流母線電壓波形

耦合負壓式高壓直流斷路器和混合式高壓直流斷路器轉移支路導通后,通過轉移支路電力電子開關強制換流,不存在上述問題。

3.3 重合閘過程

機械式高壓直流斷路器重合閘時,直接導通主支路快速開關,若出現過電流或接到分閘指令再分閘,分閘過程和第1次分閘相同。

耦合負壓式高壓直流斷路器和混合式高壓直流斷路器重合閘過程中,是先要重合轉移支路電力電子開關,若故障清除則導通主支路快速機械斷路器,故障仍存在,上層控制保護裝置會再次發快分指令,則關斷電力電子開關,流向耗能支路,進行能量耗散和清除。

耦合負壓式高壓直流斷路器和混合式高壓直流斷路器重合閘過程中存在斷路器失靈風險,圖10為張北柔直工程中混合式高壓直流斷路器失靈波形。斷路器收到重合閘命令后,導通轉移支路[14],6 ms內未收到上層控制保護發送的快分指令,認為故障已經清除,則導通主支路機械斷路器,6.3 ms控制保護判斷故障仍然存在,再次發出快速分指令,而斷路器在合主支路機械斷路器過程中,無法響應導致失靈。

圖10 混合式高壓直流斷路器失靈波形

耦合負壓式高壓直流斷路器和混合式高壓直流斷路器轉移支路電力電子開關不能長期通流,重合閘過程中轉移支路導通時間和上層控制保護判出永久性故障再次分閘的時間無法完全匹配,而機械式高壓直流斷路器重合閘過程中直接重合主支路,可以長期耐受電流,無上述問題。

4 結論

本文以高壓直流斷路器為研究對象,通過對3種不同技術路線的高壓直流斷路器在張北柔直工程中的應用情況分析,得出以下結論。

a. 通過現場試驗驗證3種不同技術路線的500 kV高壓直流斷路器可以在3 ms內切斷故障電流,成功應用于張北柔性直流電網。

b. 通過帶電分閘試驗機械式高壓直流斷路器由于轉移支路電容電壓的疊加導致直流母線電壓抬高,存在保護誤動作的風險。

c. 耦合負壓式高壓直流斷路器和混合式高壓直流斷路器在重合閘過程中存在斷路器失靈的風險,因此重合閘過程中,在轉移支路電力電子器件耐受范圍內,盡可能提高轉移支路導通的時間。