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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 

2 高压直流断路器的技术发展

2.1 直流电网对直流断路器的技术要求

高压直流断路器实现直流系统故障隔离,应能够在出现故障的直流线路中产生电流过零点,并在直流电流分断过程中,吸收直流系统感性元件储存以及交流系统注入的能量,同时抑制暂态分断过电压,降低系统设备的绝缘耐受水平。

快速分断是直流电网对直流断路器的最核心要求。直流电网的设计理念中,当单条直流线路出现故障时,应由线路两端的直流断路器快速分断隔离故障线路,而故障线路两侧的换流站持续运行。由于柔性直流系统阻尼低,所产生的直流侧短路电流上升率和幅值很高,直流断路器分断速度越慢,换流阀因过电流闭锁的可能性越大,直流断路器分断所耐受的电热应力也将越苛刻,断路器的设计难度和成本也越高。此外,换流阀还会因故障过程中直流电压的快速跌落而闭锁,该时间受直流断路器分断暂态电压的影响。

在保障直流断路器能够快速可靠地实现直流故障清除的前提下,直流断路器还应从工程实际需求出发,考虑经济性、灵活性和扩展性等问题。直流断路器长时运行于直流系统中,且其在大容量直流输电网络中的数量将超出换流阀,其运行损耗必须设计在较低的水平,保证系统运行的经济性;直流断路器应还具备双向导通和分断电流能力,以满足系统灵活潮流调节需求;目前直流输电网络的电压等级序列尚未明确,直流断路器还应具备模块化设计,降低自身体积,保障良好的扩展性和兼容性,以满足不同电压等级序列的直流系统应用需求。

2.2 机械式直流断路器

20 世纪 80 年代,欧洲 BBC 公司制造了用于太平洋联络线的 500kV/2kA 自激振荡型机械式直流断路器[14]。该技术利用传统交流断路器电弧弧压与并联电容、电感谐振的方式创造零点,拓扑方案如图 5 所示,CB 为交流断路器,谐振电感 L 和谐振电容 C 构成谐振电路,MOV 为金属氧化物避雷器。其结构简单,运行损耗低;但交流断路器长达数十毫秒的分断速度以及断路器自身回路谐振特性,使得该方案存在分断时间长、分断电流小等不足,由于其只能分断负载电流而无法开断短路电路,又将该类型直流断路器称为高压直流转换开关,现主要应用于常规直流输电系统正常负荷电流的转移。

 

随着快速开关技术的发展,将传统交流断路器配置电磁斥力驱动机构,同时采用有源注入的方式创造人工零点,能够大幅提升机械式断路器分断速度和分断能力,文献[15-16]提出了有源注入的机械式直流断路器,如图 6 所示。

该断路器分断前,需要由直流电源通过充电控制开关 K1向谐振电容充电。分断过程中先分断机械断路器 CB,在其产生足够开距能够耐受分断过电压后,再通过闭合谐振回路开关 K2 使谐振电容 C经谐振电感 L 向机械断路器 CB 注入反向电流实现电流过零。机械断路器电流过零后电弧熄灭,短路电流对电容 C 充电直至避雷器动作,实现电流分断。该断路器内部换流过程如图 7 所示。

机械式直流断路器具备明显的成本优势,但其在系统应用方面也存在系列技术问题需要解决,包含断路器使用寿命,小电流下的可靠关断、辅助电源系统设计等。此外,实现机械式直流断路器双向分断将进一步使得拓扑结构变得复杂。

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