高压直流断路器在张北柔性直流电网中的应用

李金卜,李振动,刘宪辉,金海望,张增明

(国网冀北电力有限公司超高压分公司,北京 102488)

0 引言

高压直流断路器要求在几毫秒内切除系统中发生的短路故障,并快速、可靠地实现对系统中故障部分隔离及重合闸,是构建柔性直流电网的关键设备之一[1-3]。目前高压直流断路器主要有3种技术路线,一是依靠转移支路产生反向高频振荡电流叠加到主支路使电流过零的机械式高压直流断路器[4-7];二是靠转移支路耦合产生负压强制电流转移的耦合负压式直流断路器[8-10];三是依靠电力电子器件进行强制电流转移的混合式高压直流断路器[11-13]。上述3种技术路线的500 kV直流断路器应用于张北柔性直流工程中,均为首台首套高压直流断路器。目前对高压直流断路器的研究主要集中在拓扑结构、供能系统、性能试验,对直流断路器在现场的实际应用情况分析较少。本文介绍了3种不同技术路线的500 kV高压直流断路器的拓扑结构,通过工程现场实际短路接地故障,验证了500 kV高压直流断路器能够在3 ms内可靠切断故障电流,最后比较了3种不同技术路线的高压断路器实际工作特性。

1 高压直流断路器拓扑结构

1.1 机械式高压直流断路器拓扑结构

500 kV机械式高压直流断路器共设计4条支路,分别为主支路、转移支路、耗能支路和缓冲回路,如图1所示。主支路采用12个51.5 kV的快速机械断路器串联,每一快速机械并联一层耗能支路避雷器,实现每个断口的均压;缓冲回路并联在主支路两端,主要是由缓冲电容C3、缓冲电容并联电阻R3及缓冲电阻R5组成,实现快速开断过程中缓冲主支路电压上升率的作用;转移支路采用储能电容C2、振荡电感L、充电电容C1、储能电容放电电阻R5、充电电容限流电阻R4、充电电容均压电阻R1、储能电容均压电阻R2、放电避雷器MOV、集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristors,IGCT)模块组成,实现在电流分断过程中产生高频振荡电流,叠加在主支路实现电流过流完成开断。耗能支路采用12组避雷器串联组成,每组避雷器采用“内并5外并10”结构,每组避雷器并联在主支路快速机械断路器两端,实现快速机械断路器的静态和动态均压,在电流分断过程中消耗能量194 MJ。

图1 机械式高压直流断路器拓扑图

1.2 耦合负压式高压直流断路器拓扑结构

耦合负压式混合型高压直流断路器拓扑如图2所示。主支路共有8个快速真空机械断路器断口串联,1个冗余。转移支路电力电子开关整体采用交叉桥式单元作为电力电子开关串联子模块,串联个数为320个子模块,其中冗余量10%。每个子模块中,选用2个IEGT并联作为主开关器件,选用4个普通整流二极管形成二极管全桥导通双向电流,并使用加速电流衰减的缓冲支路和避雷器实现动态均压和过压保护,使用静态均压电阻实现静态直流均压。

图2 耦合负压式高压直流断路器拓扑图

转移支路与电力电子开关串联的还有1支耦合负压回路,该耦合负压装置为可控电压源,原边和副边线圈进行耦合,耦合到副边瞬时产生一个反向电动势,使转移支路通态压降低于主通流支路的压降,从而迫使电流从主支路电流向转移支路转移。

耗能支路共有5层,避雷器组采用“内并5外并10”共50组避雷器,故避雷器总吸能为194 MJ。

1.3 混合式高压直流断路器拓扑结构

混合式高压直流断路器主要由3条支路构成,分别是用于长期导通直流系统电流的主支路、用于短时承受系统故障电流的转移支路和吸收故障电流能量的耗能支路。图3为混合式高压直流断路器的主拓扑图,其主支路快速机械断路器采用10断口串联,快速机械断路器需要在2 ms内达到有效的绝缘开距。主支路电力电子开关包括IGBT阀组、旁路开关、避雷器、供能设备及冷却系统。转移支路由10组53.5 kV阀组单元串联构成,需要承受和关断25 kA的故障电流,关断残压约800 kV。每个电力电子开关子单元包括IGBT阀组、二极管阀组及避雷器单元。

图3 混合式高压直流断路器拓扑图

2 高压直流断路器开断电流试验

张北柔性直流电网中延庆站、中都站额定容量3000 MW,康巴站、阜康站额定容量1500 MW,试验前张北柔性直流电网四端运行,延庆站定直流电压,其他3站定功率,功率为零,运行电压为500 kV,张北柔性电网高压直流断路器配置及故障点如图4所示。进行接地短路试验,保护动作正确,高压直流断路器成功分闸。

图4 张北四端柔性直流电网

机械式高压直流断路器分断过程如图5所示。

图5 机械式高压直流断路器分断过程

t1时刻:断路器接收到保护动作命令,快速断路器执行分闸命令;

t2时刻:转移支路IGCT触发导通,电感、电容开始振荡,转移支路振荡电流与主支路电流进行叠加,主支路产生电流过零点,主支路快速断路器熄弧,主支路电流开断;

t3时刻:线路对转移支路电容充电,电容器充电完成后线路电流开始下降,避雷器两端建立断口过电压,避雷器动作,线路电流转移至避雷器回路;

t3-t4时刻:短路电流流过避雷器支路,部分短路电流流过转移支路,转移支路导通10 ms至t4时刻关断,转移支路流过故障电流减小至零。短路电流全部流过避雷器支路,避雷器残压高于系统运行电压,故障电流逐步衰减,故障清除。

耦合负压式高压直流断路器分断过程如图6所示。

图6 耦合负压式高压直流断路器分断过程

t1时刻:主支路机械断路器开始分闸,同时闭合转移支路电力电子开关。由于机械断路器的机械惯性,触头间距继续增加;

t2时刻:经过短暂延时,t2时刻触发耦合负压装置,此时产生正向和反向电压,迫使主支路电流换流到转移支路;

t3时刻:由电力电子开关承受故障短路电流,转移电流完成后,耦合负压回路相当于一个串联电感,不影响电力电子开关的导通和关断,触头间距继续增加,触头间隙建立能够承担大电压的绝缘开距后,t3时刻电力电子开关关断。电力电子开关分断后,电流又开始向耗能支路转移,达到避雷器两端动作电压时,避雷器起作用开始吸能,使电流开始衰减,直到故障电流清除。

混合式高压直流断路器分断过程如图7所示。

图7 混合式高压直流断路器分断过程

t1时刻:直流断路器在t1时刻接收到下达的分闸指令,主支路电力电子开关闭锁,同时导通转移支路电力电子开关。主支路电力电子开关闭锁后,其内部电容充电建立暂态电压,此时主支路的阻抗远大于转移支路阻抗,强迫电流换流到转移支路;

t2时刻:转移支路电力电子开关闭锁,子模块中的电容充电建立起暂态电压,当电压超过避雷器动作电压时,电流换流至耗能支路。故障电流流过耗能支路,故障电流逐渐衰减至零。

3 3种技术路线高压直流断路器对比分析

3.1 主支路换流过程

机械式高压直流断路器在开断过程中,主支路机械断路器先断开拉弧。经过2 ms延时转移支路导通IGCT产生正反向高频振荡电流与主支路电流叠加。

耦合负压式高压直流断路器在开断过程中,主支路机械断路器先断开拉弧,机械断路器分闸同时导通转移支路电力电子开关,下一时刻触发耦合负压装置,使转移支路压降低于主支路弧压,则直流短路电流就会从高电势流向低电势,换流到转移支路。

混合式高压直流断路器在开断过程中,导通转移支路电力电子开关,关断转移支路电力电子开关,将电流由主支路转移到转移支路后,拉开主支路机械断路器,机械断路器无需拉弧。

3.2 转移支路换流过程

机械式高压直流断路器主支路断开后,转移支路电容充电达到耗能支路避雷器动作电压,转移支路导通状态下存在250 kV的电容电压,该电容电压与转移支路阀均电压阻、阀厅母线侧对地等效阻抗、线路侧对地等效阻抗形成闭合回路,并对电容电压根据各自阻抗大小进行分压,如图8所示,导致直流母线电压出现过压。

图8 机械式高压直流断路器等效回路

图9为机械式断路器分闸时的直流母线电压波形,在分闸过程中,直流母线电压抬高到-700 kV,因此在设计直流母线过电压保护时,应注意躲过机械式断路器分闸过程中的暂态过压,防止保护误动作。

图9 机械式高压直流断路器分闸时直流母线电压波形

耦合负压式高压直流断路器和混合式高压直流断路器转移支路导通后,通过转移支路电力电子开关强制换流,不存在上述问题。

3.3 重合闸过程

机械式高压直流断路器重合闸时,直接导通主支路快速开关,若出现过电流或接到分闸指令再分闸,分闸过程和第1次分闸相同。

耦合负压式高压直流断路器和混合式高压直流断路器重合闸过程中,是先要重合转移支路电力电子开关,若故障清除则导通主支路快速机械断路器,故障仍存在,上层控制保护装置会再次发快分指令,则关断电力电子开关,流向耗能支路,进行能量耗散和清除。

耦合负压式高压直流断路器和混合式高压直流断路器重合闸过程中存在断路器失灵风险,图10为张北柔直工程中混合式高压直流断路器失灵波形。断路器收到重合闸命令后,导通转移支路[14],6 ms内未收到上层控制保护发送的快分指令,认为故障已经清除,则导通主支路机械断路器,6.3 ms控制保护判断故障仍然存在,再次发出快速分指令,而断路器在合主支路机械断路器过程中,无法响应导致失灵。

图10 混合式高压直流断路器失灵波形

耦合负压式高压直流断路器和混合式高压直流断路器转移支路电力电子开关不能长期通流,重合闸过程中转移支路导通时间和上层控制保护判出永久性故障再次分闸的时间无法完全匹配,而机械式高压直流断路器重合闸过程中直接重合主支路,可以长期耐受电流,无上述问题。

4 结论

本文以高压直流断路器为研究对象,通过对3种不同技术路线的高压直流断路器在张北柔直工程中的应用情况分析,得出以下结论。

a. 通过现场试验验证3种不同技术路线的500 kV高压直流断路器可以在3 ms内切断故障电流,成功应用于张北柔性直流电网。

b. 通过带电分闸试验机械式高压直流断路器由于转移支路电容电压的叠加导致直流母线电压抬高,存在保护误动作的风险。

c. 耦合负压式高压直流断路器和混合式高压直流断路器在重合闸过程中存在断路器失灵的风险,因此重合闸过程中,在转移支路电力电子器件耐受范围内,尽可能提高转移支路导通的时间。