孤島方式下高壓直流斷路器帶電的暫態(tài)特性分析

衛(wèi)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(wǎng)系統(tǒng)特別是柔性直流電網(wǎng)的發(fā)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(wǎng)運行，有效提高了柔性直流的輸電容量和可靠性，產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(cè)隔離開關(guān)在合上的過程中會產(chǎn)生較大的電弧，對于運行安全產(chǎn)生了一定的影響。鑒于此，分析了現(xiàn)有高壓直流斷路器兩側(cè)刀閘合上時產(chǎn)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(shè)計、應(yīng)用和安全運行具有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高壓直流斷路器;柔性直流電網(wǎng);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(shù)，由于其換流閥的高度可控性，可以方便地實現(xiàn)功率潮流反轉(zhuǎn)、四象限運行、提供無功支撐等。相比于傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)，不會換相失敗的特性使得柔性直流輸電技術(shù)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(wǎng)的支撐。

柔性直流電網(wǎng)可以進一步提高柔性直流輸電技術(shù)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(wǎng)尤為重要。

世界上首個柔性直流電網(wǎng)工程是中國的“±500 kV張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)示范工程”，該工程使用了多種不同拓撲結(jié)構(gòu)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(tài)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(qū)，高度可控，具備重合閘能力，基本可以滿足柔性直流電網(wǎng)的要求，是目前主流的發(fā)展路線。

高壓直流斷路器的基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

高壓直流斷路器主支路主要發(fā)揮兩個作用：一是高壓直流斷路器在合位狀態(tài)時采用主支路通流，以實現(xiàn)較小的通態(tài)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(xiàn)該支路的有效隔離。

轉(zhuǎn)移支路是高壓直流斷路器實現(xiàn)其功能的主要手段，原理是利用多層級聯(lián)的IGBT器件，疊加電流關(guān)斷和反向承壓能力，在主支路形成斷口之后，將直流電流關(guān)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(tài)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(zhuǎn)移支路導通，然后斷開主支路形成斷口，接著斷開轉(zhuǎn)移支路的電力電子開關(guān)，通過耗能支路消耗能量。可見，無論是通態(tài)還是斷態(tài)，轉(zhuǎn)移支路和耗能支路始終并聯(lián)在直流線路中。

在高壓直流斷路器基本拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(guān)以提高主支路的開斷能力。（2）耦合負壓裝置式，通過在轉(zhuǎn)移支路增加耦合負壓裝置，在開斷瞬間利用耦合裝置產(chǎn)生的反向感應(yīng)電流，在轉(zhuǎn)移支路形成人工過零點，減輕IGBT在關(guān)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(lián)的IGBT來進行直流電流的關(guān)斷。其主支路包含機械斷口，而與主支路并聯(lián)的轉(zhuǎn)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(lián)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(lián)的混合式直流斷路器方案，開發(fā)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(tài)損耗較大，通過級聯(lián)的方式實現(xiàn)開斷大電流的功能。

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

2.2 ? ?IGBT通斷狀態(tài)不同步的影響

轉(zhuǎn)移支路是IGBT級聯(lián)規(guī)模較大的支路，也是電力電子器件發(fā)揮作用的主要支路。

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

在高壓直流斷路器合位，一側(cè)電壓為500 kV，另一側(cè)發(fā)生接地，電壓為零，電流為額定電流3 kA的狀態(tài)下，需要拉開高壓直流斷路器時，先導通轉(zhuǎn)移支路的電力電子開關(guān)，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(zhuǎn)移支路導通后，關(guān)斷主支路的IGBT，之后拉開主支路的機械開關(guān)，由于轉(zhuǎn)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(guān)斷轉(zhuǎn)移支路的IBGT實現(xiàn)直流電流的切斷，此時通斷不同步的問題將產(chǎn)生很大影響。

以320個IGBT模塊串聯(lián)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(tài)，當剩下的IBGT個數(shù)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(shù)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(guān)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(chǎn)生和傳輸以及每個IGBT的關(guān)斷速度。

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

2.4 ? ?并聯(lián)電容對斷路器功能的影響

由于高壓直流斷路器應(yīng)用在直流輸電領(lǐng)域，電容的使用對穩(wěn)定運行時的系統(tǒng)幾乎沒有影響，但對開關(guān)本身帶電的暫態(tài)過程、開斷直流電流的暫態(tài)過程影響較大。

開斷直流電流的暫態(tài)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(xiàn)。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(shè)備帶電、給電容充電的過程。

正是由于這樣的拓撲結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(tài)為例，分析孤島狀態(tài)下進行極連接操作后高壓直流斷路器的狀態(tài)變化。

在孤島狀態(tài)下，正極所有設(shè)備為冷備用狀態(tài)，金屬回線及接地極投入運行，此時線路為+500 kV帶電狀態(tài)，進行極連接操作后，高壓直流斷路器仍處于分位，其他開關(guān)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(lián)，再經(jīng)由下橋臂的二極管與換流閥子模塊中的電容串聯(lián)，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(gòu)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(xiàn)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(tài)響應(yīng)。

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(zhuǎn)移支路的總電容為C2，均壓電容本身串聯(lián)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(guān)系

根據(jù)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(lián)的總電壓，在電流正向流過時，UD視為0。

充電結(jié)束后電容的電壓保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，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(jié)束，因此重點關(guān)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(shù)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(jié)

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(yīng)用問題

4.1 ? ?電弧的產(chǎn)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(wěn)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(chǎn)生對于閥廳內(nèi)設(shè)備的安全造成了一定影響，一般電力電子設(shè)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(shè)施造成干擾。

4.2 ? ?電弧問題的解決思路

雖然通過串聯(lián)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(xù)的時間。

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

在高壓直流斷路器的兩側(cè)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(jié)語

混合式高壓直流斷路器由于結(jié)構(gòu)特點，在冷備用狀態(tài)轉(zhuǎn)向熱備用，即從無電到帶電的過程中可能產(chǎn)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(xiàn)熱備用、冷備用、檢修狀態(tài)的簡單切換，正常運行產(chǎn)生較小的通態(tài)損耗，具備開斷故障電流和實現(xiàn)重合閘的能力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運行方式、構(gòu)建直流電網(wǎng)的功能。

[參考文獻]

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收稿日期：2021-03-25

作者簡介：衛(wèi)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(shù)。