直流斷路器在高壓直流工程中的應(yīng)用

直流斷路器在高壓直流工程中的應(yīng)用

0增設(shè)直流電系統(tǒng)在特高壓直流設(shè)備的情況下，系統(tǒng)的基本工作原則是將電源轉(zhuǎn)換為直流電，將電報(bào)轉(zhuǎn)移到受供電交換站，然后從受供電交換站將電流轉(zhuǎn)換為交流系統(tǒng)。在整個(gè)過(guò)程中,直流斷路器是換流站中的重要電氣一次設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修時(shí),在不停電的情況下改變供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。本文對(duì)直流開(kāi)斷過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析,介紹了目前高壓直流輸電中采用的2種直流開(kāi)斷方法,綜述了幾種具有代表性的直流斷路器以及直流開(kāi)關(guān)設(shè)備配置。1及其工作原理按組成結(jié)構(gòu),可將直流斷路器分為無(wú)源型和有源型2種,其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)源型直流斷路器適用于轉(zhuǎn)換中等幅值的直流電流,而有源型直流斷路器適用于轉(zhuǎn)換較大幅值的直流電流。無(wú)源輔助電路直流斷路器一般由1臺(tái)SF6斷路器(斷口)B,1臺(tái)電容器C,1臺(tái)避雷器R,以及1臺(tái)電抗器L組成;有源型直流斷路器在無(wú)源型直流斷路器的基礎(chǔ)上增加了1臺(tái)隔離開(kāi)關(guān)S1及1臺(tái)直流充電裝置Udc。對(duì)于無(wú)源輔助電路直流斷路器來(lái)說(shuō),斷路器觸頭分開(kāi)之后,SF6斷路器與L-C支路構(gòu)成的環(huán)路中的諧振電流是靠電弧激發(fā)產(chǎn)生的。有源輔助電路直流斷路器中電容器開(kāi)始時(shí)并沒(méi)有和斷路器連接,只是由充電器將其預(yù)充電到一定的直流電壓。在斷路器觸頭分離之后的適當(dāng)時(shí)刻,合上隔離開(kāi)關(guān)S1,預(yù)充過(guò)電的電容器跨接到斷路器上,激發(fā)起振蕩電流,實(shí)現(xiàn)斷路器斷口電流過(guò)零,斷口間電弧熄滅。對(duì)于無(wú)源及有源輔助電路直流斷路器來(lái)說(shuō),當(dāng)斷口間電弧熄滅之后兩者的工作原理完全一樣。對(duì)于無(wú)源型和有源型直流斷路器,在SF6斷路器的電弧熄滅前,振蕩電流頻率很高,可達(dá)數(shù)千赫茲,電流峰值的時(shí)間很短。2直接故障代理的切換2.1從電流的角度分析(1)無(wú)過(guò)零點(diǎn)。在交流系統(tǒng)中的斷路器,主要是應(yīng)用交流電流在每個(gè)周期內(nèi)的2個(gè)電流零點(diǎn)來(lái)熄滅電弧,在這一瞬間弧隙介質(zhì)的介電強(qiáng)度也得到很好恢復(fù),為滅弧創(chuàng)造了很好的條件。由于直流電流總是定值,沒(méi)有電流零點(diǎn),故直流電弧的熄滅要借助于交流電流過(guò)零這一特性實(shí)現(xiàn)。(2)釋放巨大能量。故障時(shí)直流等值電路如圖2所示?；∠痘芈返碾妷浩胶夥匠虨槭街?為自感產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì);R為回路電阻;E為電源直流電勢(shì);Uarc為弧熄電壓。由式(1)可得短路過(guò)程中電流電壓變化狀況為:式中:t1為觸點(diǎn)開(kāi)斷時(shí)刻;A1為觸點(diǎn)斷開(kāi)瞬間儲(chǔ)存于回路中的磁場(chǎng)能量;A2為燃弧期間由電源向開(kāi)關(guān)供給的能量。上述能量的表達(dá)式由2部分組成,第一部分A1依賴于電網(wǎng)電壓、時(shí)間常數(shù)T和t1(觸點(diǎn)開(kāi)斷時(shí)刻),且線路越長(zhǎng),L越大,A1越大(1H4000A的平波電抗器儲(chǔ)能約在8MJ);第二部分A2取決于電流降低的速度及開(kāi)關(guān)特性,電流減小越快,燃弧時(shí)間就越短,A2越小。理論上A2可趨于零。由于A1的存在,直流回路切斷過(guò)程如何吸收所釋放的巨大的能量成了直流電路斷開(kāi)的另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。(3)產(chǎn)生的過(guò)電壓。由于直流系統(tǒng)存在許多電容電感元件,如平波電抗器、濾波裝置、過(guò)電壓波吸收電容器以及導(dǎo)線的線間電容和對(duì)地電容等。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)或發(fā)生故障時(shí),由于系統(tǒng)參數(shù)和工作條件的改變,會(huì)引起電容和電感間電磁能量轉(zhuǎn)換(振蕩),引起內(nèi)部過(guò)電壓。2.2高壓直流系統(tǒng)在高壓直流系統(tǒng)中由于電感的存在,系統(tǒng)里儲(chǔ)存了大量的能量,需要采取有效手段來(lái)耗散這些能量。同時(shí)需要抑制過(guò)電壓,保證間隙完成介質(zhì)恢復(fù)和保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備免受損壞。目前,在高壓直流系統(tǒng)中采用“迭加振蕩電流法”進(jìn)行直流開(kāi)斷。下面介紹已經(jīng)在高壓直流輸電中得到應(yīng)用的2種形式。2.2.1直流電電壓的開(kāi)斷過(guò)程自激振蕩是利用電弧的負(fù)電阻特性和不穩(wěn)定性,在與開(kāi)斷弧間隙并聯(lián)的電容、電感串聯(lián)回路中產(chǎn)生遞增的自激振蕩,使在電弧間隙的開(kāi)斷直流電流上迭加增幅的振蕩流,利用電流過(guò)零時(shí)開(kāi)斷電路。其原理電路如圖3所示,i為被開(kāi)斷的直流電流,ia為斷路器電弧電流,L、C、R分別表示轉(zhuǎn)移回路的電感、電容和電阻,ZnO表示氧化鋅吸能元件。電容C和電感L串聯(lián)組成的換流電路并聯(lián)到斷路器上,當(dāng)斷路器觸頭分開(kāi)后,由電弧電壓向電容C充電。由于電弧的不穩(wěn)定性,電弧電壓產(chǎn)生波動(dòng),使電容器C和電弧之間有1個(gè)充放電的過(guò)程,產(chǎn)生充放電電流,電弧的負(fù)阻特性使這一電流ia的振蕩不斷增加,當(dāng)電流的振幅等于所開(kāi)斷的電流時(shí),在斷路器觸頭之間產(chǎn)生電流過(guò)零點(diǎn)。電弧電流過(guò)零后,斷路器觸頭之間開(kāi)始介質(zhì)恢復(fù)階段,這時(shí)直流系統(tǒng)仍儲(chǔ)存著巨大的能量,這部分能量將變成電容器C上的恢復(fù)電壓,只有當(dāng)斷路器具有較快的介質(zhì)恢復(fù)速度才不至于發(fā)生重燃現(xiàn)象。當(dāng)恢復(fù)電壓上升到并聯(lián)的非線性電阻氧化鋅吸能裝置的額定電壓時(shí),吸能裝置導(dǎo)通,吸收掉這部分能量,使系統(tǒng)電流下降到零,至此完成1個(gè)直流開(kāi)斷過(guò)程。自激振蕩開(kāi)斷過(guò)程中的電壓電流波形如圖4所示。由圖4可以看出這種方式的直流斷路器開(kāi)斷過(guò)程可劃分為3個(gè)階段:第1階段是強(qiáng)迫電流過(guò)零階段,第2階段是介質(zhì)恢復(fù)階段,第3階段是能量吸收階段。與交流斷路器不同的是斷路器的介質(zhì)恢復(fù)特性是高頻介質(zhì)的恢復(fù)特性。自激型的高壓直流斷路器無(wú)需輔助設(shè)備和控制系統(tǒng),簡(jiǎn)單可靠。2.2.2交流交流全面開(kāi)斷它激振蕩的并聯(lián)輔助回路與自激型相似,然而回路中的電容C有1個(gè)預(yù)充電過(guò)程,如圖5所示。斷路器處于合閘位置時(shí),先用充電裝置將電容C預(yù)充電到一定的電壓。等到斷路器得到跳閘命令,觸頭開(kāi)始分開(kāi)時(shí),開(kāi)關(guān)K合上,并聯(lián)回路投入使用。電容放電產(chǎn)生的反向電流與通過(guò)斷路器的正向電流疊加,得到1個(gè)變化電流。當(dāng)斷路器的開(kāi)距達(dá)到額定開(kāi)距時(shí),變化電流到達(dá)電流零點(diǎn)時(shí)熄滅電弧,從而開(kāi)斷電流。它激振蕩開(kāi)斷過(guò)程中的電壓電流波形如圖6所示。由于并聯(lián)電路投入后在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生變換電流并到達(dá)電流零點(diǎn),此時(shí)斷路器觸頭很可能未達(dá)到額定開(kāi)距。在前幾個(gè)電流零點(diǎn)處沒(méi)有辦法熄弧,觸頭達(dá)到額定開(kāi)距后,電流過(guò)零,將電弧熄滅,達(dá)到截流目的。由上分析得知,它激振蕩型并聯(lián)回路直流斷路器是利用并聯(lián)回路中的電容電感元件使得流過(guò)斷路器觸頭的電流產(chǎn)生振幅增加的振蕩,并且在電弧電流到達(dá)零點(diǎn)的時(shí)候開(kāi)斷電流,其截流時(shí)間和效果取決與直流電流的大小以及并聯(lián)回路的性能。因此它激振蕩型并聯(lián)回路直流斷路器對(duì)于截?cái)嚯娏饕约安⒙?lián)回路元件值都有一定的要求。它激振蕩型并聯(lián)回路直流斷路器是利用充電電容電壓直接迫使流過(guò)斷路器觸頭的電流為零,其開(kāi)斷能力比自激振蕩型并聯(lián)回路斷路器高,然而其充電回路較為復(fù)雜,相對(duì)來(lái)說(shuō)成本較高。因此針對(duì)4kV及以下的直流電流,多采用自激振蕩型并聯(lián)回路,而針對(duì)4kV以上的電流,采用它激振蕩型并聯(lián)回路。3直流開(kāi)關(guān)設(shè)備的操作雙極系統(tǒng)接線方式是特高壓直流輸電工程中采用的接線方式。可根據(jù)實(shí)際情況,通過(guò)金屬回路轉(zhuǎn)換斷路器(MRTB)、大地回路轉(zhuǎn)換斷路器(GRTS)、中性母線斷路器(NBS)、雙極運(yùn)行中性線臨時(shí)接地開(kāi)關(guān)(NBGS)及各種直流隔離開(kāi)關(guān)操作完成雙極運(yùn)行方式、單極大地回路方式、單極金屬回路方式和雙極線并聯(lián)大地回路運(yùn)行方式接線的轉(zhuǎn)換。直流開(kāi)關(guān)設(shè)備的操作同時(shí)確保了直流運(yùn)行故障的保護(hù)切除、檢修的隔離等,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可用率。特高壓換流站主接線與直流開(kāi)關(guān)設(shè)備配置圖見(jiàn)圖7。(1)中斷直流功率的輸送MRTB裝設(shè)于接地極線回路中,用以將直流電流從單極大地回線轉(zhuǎn)換到單級(jí)金屬回線,以保證轉(zhuǎn)換過(guò)程中不中斷直流功率的輸送。如果允許暫時(shí)中斷直流功率的輸送,則可不裝設(shè)MRTB。MRTB必須與GRTS聯(lián)合使用。GRTS合閘之后MRTB動(dòng)作,建立2個(gè)并聯(lián)的回路,直流電流被分流,到達(dá)穩(wěn)態(tài)之后,MRTB動(dòng)作進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換操作,轉(zhuǎn)換成功之后,和MRTB串聯(lián)的隔離開(kāi)關(guān)將斷開(kāi),以確保MRTB不承受持續(xù)的電壓。(2)回線轉(zhuǎn)換成單極土地回線GRTS裝設(shè)在接地極線與極線之間。它是用于在不停運(yùn)情況下,將直流電流從單極金屬回線轉(zhuǎn)換至單極大地回線。在GRTS動(dòng)作之前,MRTB先合閘,建立大地回路和金屬回路2個(gè)并聯(lián)的回路,直流電流被分流,到達(dá)穩(wěn)態(tài)之后,GRTS動(dòng)作進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換操作,轉(zhuǎn)換成功之后,和GRTS串聯(lián)的隔離開(kāi)關(guān)將斷開(kāi),以確保GRTS不承受持續(xù)的電壓。(3)接枝器內(nèi)接枝當(dāng)單極計(jì)劃停運(yùn)時(shí),換流器在沒(méi)有投旁通對(duì)的情況下閉鎖,換流器將使該極直流電流為零,NBS在無(wú)電流情況下分閘。這也是當(dāng)換流器內(nèi)發(fā)生除了接地故障以外的故障時(shí),利用NBS進(jìn)行隔離的正常程序。當(dāng)正常雙極運(yùn)行時(shí),如果1個(gè)極的內(nèi)部出現(xiàn)接地故障,故障極帶投旁通對(duì)閉鎖,則利用NBS將正常極注入接地故障點(diǎn)的直流電流轉(zhuǎn)換至接地線路。對(duì)于NBS,最苛工況是平波電抗器的線路側(cè)對(duì)地故障,換流器投旁通對(duì),此時(shí)需NBS動(dòng)作,將故障回路電流轉(zhuǎn)換到健全極回路中。(4)nbgs合閘NBGS裝設(shè)于中性線與換流站接地網(wǎng)之間。當(dāng)接地極線路斷開(kāi)時(shí),不平衡電流將使中性母線電壓升高,為了防止雙極閉鎖,提高高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,利用NBGS的合閘來(lái)建立中性母線與大地的連接,以保持雙極繼續(xù)運(yùn)行,從而提高了高壓直流輸電系統(tǒng)的可用率。當(dāng)接地引線由于故障斷開(kāi)時(shí),中性母線電壓將不可控,此時(shí)NBGS合閘將系統(tǒng)轉(zhuǎn)為站內(nèi)接地,將中性母線電壓重新穩(wěn)定在零電位。當(dāng)接地引線重新正常運(yùn)行后,NBGS打開(kāi),將電流轉(zhuǎn)換到接地引線回路中。另外,當(dāng)NBS無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí),NBGS也可以提供臨時(shí)接地通路,以減少NBS的轉(zhuǎn)換電流。NBGS還有另一個(gè)作用,當(dāng)NBS轉(zhuǎn)換失敗時(shí),NBGS合閘提供臨時(shí)站內(nèi)接地。4合grts刀閘的復(fù)合首先合MRTB及其兩側(cè)刀閘,之后斷開(kāi)與MRTB并聯(lián)的刀閘,再合GRTS及其兩側(cè)刀閘和至極2的刀閘,形成單極大地與金屬回路并聯(lián)運(yùn)行。最后斷開(kāi)MRTB完成轉(zhuǎn)換。(2)b串聯(lián)刀閘首先合MRTB及其兩側(cè)刀閘,之后合與MRTB并聯(lián)的刀閘,形成單極大地與金屬回路并聯(lián)運(yùn)行。再斷開(kāi)GRTS及其兩側(cè)刀閘和至極2的刀閘,最后斷開(kāi)MRTB及其兩側(cè)刀閘完成轉(zhuǎn)換。5直