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高压直流断路器技术发展与工程实践

北极星输配电网  来源:电网技术杂志    2017/11/16 11:11:35  我要投稿  
所属频道: 保护与控制  关键词:断路器 柔性直流 电网技术 

1.1 交流断路器隔离故障

已经投运的柔性直流输电工程主要采用基于全控器件 IGBT的两电平或半桥 MMC换流阀技术。如图 2 所示,当直流侧发生短路故障换流阀闭锁后,交流电流将通过换流阀中 IGBT 反并联二极管续流,从而导致柔性直流系统无法依靠换流阀自身来清除直流侧故障。目前柔性直流输电工程普遍通过分断交流断路器来隔离直流故障。当直流侧发生故障后,直接分断系统中所有的交流断路器,待直流侧电流衰减到零后,分断故障线路两侧隔离开关隔离故障线路,再重新合交流断路器重启系统[12]。该方法在没有直流故障电流分断设备的情况下实现了换流设备的保护,舟山五端和南澳三端柔性直流工程初期均采用该故障隔离方法。然而采用该方法会使得直流系统局部故障导致整个系统停运,造成区域供电的中断,降低了系统的运行可靠性和经济性。文献[13]提出在换流器桥臂中增加阻尼模块,加速故障电流的衰减,以提高该方法的系统恢复时间,但仍无法彻底避免供电的中断。

1.2 带故障清除能力的换流阀

在柔性直流输电系统中,采用带故障清除能力的模块来代替半桥模块,可以实现直流侧故障的清除和隔离。如采用全桥模块或图 3 所示的电容钳位双子模块等形式[3-6]。发生直流侧故障时,通过主动闭锁换流阀,利用二极管的单向导电性,使子模块储能电容对故障回路提供反向电动势并吸收故障回路的能量,无论故障电流是哪个方向都将对子模块电容充电并迅速衰减,从而实现故障回路的阻断。当直流侧电流下降到零后,再将故障线路两侧的隔离开关分断,将故障线路隔离,最后将换流站重新解锁,恢复运行。

采用该方式虽然实现了故障线路的隔离,但需要闭锁直流网络中的所有换流阀,会造成整个系统功率短暂缺失。闭锁的时间主要取决于直流侧隔离开关的分断时间。对于图 1 所示的直流电网来说,换流站是整个电网系统的功率来源和负载接口,当任意一条直流线路故障时,图中所有换流阀都需要闭锁,相当于切除了所有电源和负荷。这样将不能发挥直流电网线路冗余带来的可靠性优势。

1.3 直流断路器隔离故障

实现直流电网故障隔离的另一种方式是借鉴交流电网的思路,先由继电保护系统判断出故障地点,然后由高压直流断路器隔离故障线路。通过在换流站出口以及直流线路两侧配置直流断路器,如图 4 所示,可在数毫秒内完成直流故障的隔离,保障直流系统中换流阀的持续运行。当直流电网中单条线路被隔离时,该线路输送的功率可由其他直流线路代传,避免了电能输送的中断。该技术方式能够从根本上解决柔性直流系统直流故障清除和隔离的问题。

综上分析可以得到,依靠交流断路器分断后隔离线路的方案实际已经造成整个系统的停运,并未实现直流线路的故障隔离,通过配置带故障隔离能力的换流阀来切除“电源”的方式实现直流系统故障清除和隔离,会造成直流系统功率全部缺失,这对于高压大容量直流输电网络而言将是难以接受的。可见,采用高压直流断路器实现故障隔离将是未来直流电网的发展趋势。3 种故障隔离方式技术对比分析,如表 1 所示。

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