許 烽，李繼紅，朱承治，章姝俊，童 凱

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007）

輸配電技術(shù)

直流斷路器對(duì)直流電網(wǎng)過電壓特性的影響分析

許 烽1，李繼紅2，朱承治2，章姝俊2，童 凱1

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007）

直流斷路器安裝于直流電網(wǎng)后會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)的過電壓特性產(chǎn)生影響，尤其是直流斷路器相鄰位置的絕緣特性需要仔細(xì)校核。在分析了混合式直流斷路器工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)相鄰位置安裝避雷器和不安裝避雷器2種方案分別進(jìn)行了過電壓機(jī)理研究和仿真分析。為進(jìn)一步降低直流單極接地故障下直流斷路器分?jǐn)嗫赡茉斐傻妮^高過電壓，基于電壓判據(jù)提出了一種緩解直流斷路器相鄰節(jié)點(diǎn)過電壓水平的保護(hù)策略。通過建立三端直流輸電PSCAD/EMTDC仿真模型，驗(yàn)證了緩解過電壓水平的保護(hù)策略的可行性和有效性。

直流電網(wǎng)；直流斷路器；避雷器；保護(hù)策略；機(jī)理研究

0 引言

直流電網(wǎng)是由大量直流端通過直流線路互聯(lián)組成的能量傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)新能源的平滑接入，具有靈活、安全的潮流控制特性，是一種適應(yīng)性更強(qiáng)的供電模式[1，2]。近年來，憑借優(yōu)越的控制運(yùn)行特性，直流電網(wǎng)已成為解決新能源大規(guī)模并網(wǎng)、海島輸電、城市電網(wǎng)供電的有效技術(shù)手段。舟山五端和南澳三端柔性直流輸電系統(tǒng)為直流電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展鋪墊了道路，同時(shí)，也為海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了電力保障[3-5]。

對(duì)于海洋/海島輸電而言，海纜的使用必不可少。雖然，采用深埋技術(shù)的海纜比架空線的故障率低許多，但是，船錨割斷海纜等事情也時(shí)有發(fā)生，增加了海纜的故障發(fā)生率。因此，直流電網(wǎng)需要采用直流斷路器技術(shù)。類比于交流電網(wǎng)中的交流斷路器，直流斷路器能夠快速切除直流電網(wǎng)的故障點(diǎn)，縮小故障對(duì)直流電網(wǎng)的影響范圍，促進(jìn)直流電網(wǎng)靈活運(yùn)行[6，7]。

繼2012年ABB研制出世界上首臺(tái)高壓混合直流斷路器之后，混合式直流斷路器迅速成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)。但是，混合式直流斷路器在關(guān)斷瞬間可能會(huì)產(chǎn)生較大的端間電壓，串入直流電網(wǎng)后，會(huì)對(duì)直流電網(wǎng)整體的電壓特性產(chǎn)生影響，因此需要重新評(píng)估直流電網(wǎng)的絕緣情況。當(dāng)前，用于海洋輸電的柔性直流輸電系統(tǒng)基本采用偽雙極結(jié)構(gòu)[3]，以下將在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)直流斷路器安裝前后可能導(dǎo)致的電壓特性變化進(jìn)行研究分析并提出相關(guān)改進(jìn)策略。

1MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理

直流電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展依托于換流閥技術(shù)的成熟，當(dāng)前，運(yùn)行特性優(yōu)異、控制靈活的MMC（模塊化多電平換流器）備受青睞[8-10]。如圖1所示，MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂由N個(gè)半橋子模塊SM級(jí)聯(lián)而成，同時(shí)配置1個(gè)緩沖電抗L以抑制環(huán)流和故障電流上升率[11]。同相的上、下2個(gè)橋臂合在一起統(tǒng)稱為1個(gè)相單元。半橋子模塊由2個(gè)IGBT（絕緣柵雙極晶體管T11，T12）、 2 個(gè)反并聯(lián)二極管（D11， D12）和儲(chǔ)能電容C組成。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，模塊電容按照正弦規(guī)律進(jìn)行投入和切除，構(gòu)成換流器交直流出口處所需電壓波形，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量交換和傳遞。

2 混合式高壓直流斷路器

圖2給出了一種混合式高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由主支路、轉(zhuǎn)移支路和耗能支路并聯(lián)構(gòu)成[12]。其中，主支路由超高速機(jī)械開關(guān)和少量IGBT全橋模塊串聯(lián)構(gòu)成，用于正常通流；轉(zhuǎn)移支路由多個(gè)IGBT全橋模塊串聯(lián)構(gòu)成，用于阻斷故障電流；耗能支路由多個(gè)MOV（金屬氧化物避雷器）構(gòu)成，用于吸收直流系統(tǒng)中感性元件儲(chǔ)存的能量并抑制分?jǐn)嚯妷骸?/p>

圖1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)等效電路

圖2 混合式高壓直流斷路器結(jié)構(gòu)

正常運(yùn)行情況下，主支路內(nèi)的超高速機(jī)械開關(guān)和全橋模塊處于導(dǎo)通狀態(tài)，直流電流從主支路流過。直流系統(tǒng)發(fā)生故障后，流過主支路的故障電流快速上升，當(dāng)故障電流超過預(yù)設(shè)值之后，轉(zhuǎn)移支路內(nèi)的全橋模塊迅速導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷主支路內(nèi)的全橋模塊，故障電流將由主支路換流至轉(zhuǎn)移支路。當(dāng)流經(jīng)主支路的電流下降至0時(shí)，打開超高速機(jī)械開關(guān)。超高速機(jī)械開關(guān)打開動(dòng)作完成后，對(duì)轉(zhuǎn)移支路內(nèi)的全橋模塊施加關(guān)斷信號(hào)，故障電流將從轉(zhuǎn)移支路換流至耗能支路，直流網(wǎng)絡(luò)剩余能量將通過避雷器泄放。至此，實(shí)現(xiàn)了直流故障的快速隔離。關(guān)于該混合式高壓直流斷路器結(jié)構(gòu)的詳細(xì)介紹可參見文獻(xiàn)[12-13]，在此不再贅述。

當(dāng)前，在不考慮直流斷路器接入系統(tǒng)后與直流系統(tǒng)絕緣配合的情況下，直流斷路器內(nèi)部避雷器的過電壓保護(hù)水平一般設(shè)置為接入系統(tǒng)單極直流額定電壓的1.5倍左右[12]。

3 避雷器配置方案

圖3為直流電網(wǎng)內(nèi)換流站直流極線安裝直流斷路器后的避雷器配置示意。在未安裝直流斷路器的情況下，避雷器的配置借鑒現(xiàn)有多端柔性直流輸電工程（南澳三端柔直和舟山五端柔直）的經(jīng)驗(yàn)，在交流進(jìn)線側(cè)、聯(lián)結(jié)變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)、換流閥底部和頂部、直流線路側(cè)配置相應(yīng)容量的避雷器。在安裝直流斷路器的情況下，換流站交流側(cè)、閥區(qū)域和直流線路側(cè)的避雷器位置維持不變，以保障換流閥和直流海纜的絕緣水平，而直流極線側(cè)（直流斷路器近閥側(cè)）的避雷器配置有2種可選方案，如圖3所示：平波電抗器和直流斷路器連接點(diǎn)K安裝避雷器；連接點(diǎn)K不安裝避雷器。

圖3 換流站避雷器配置示意

混合式直流斷路器自身配置有避雷器，依據(jù)圖3所示的直流斷路器安裝方式，其內(nèi)部避雷器串接于直流極線上。若連接點(diǎn)K不安裝避雷器，連接點(diǎn)K的絕緣水平則由直流斷路器的避雷器、極線避雷器保護(hù)水平?jīng)Q定。直流系統(tǒng)需要充分考慮不同故障引發(fā)連接點(diǎn)K過電壓的最嚴(yán)重情況，以便在設(shè)計(jì)階段確定連接點(diǎn)K的絕緣水平。若連接點(diǎn)K安裝避雷器，直流斷路器兩側(cè)避雷器及其自身避雷器三者之間需要進(jìn)行匹配研究，以確定避雷器參數(shù)。以下將針對(duì)連接點(diǎn)K是否安裝避雷器展開討論，需要說明的是，直流海纜的建模參數(shù)會(huì)影響系統(tǒng)過電壓水平，但為簡(jiǎn)化問題，均以直流海纜采用集中參數(shù)作為研究前提。

4 節(jié)點(diǎn)K過電壓分析

4.1 系統(tǒng)仿真模型

在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC內(nèi)搭建如圖4所示的三端MMC-HVDC仿真平臺(tái)，直流額定電壓為±200 kV，A站、B站、C站的額定容量分別為400 MVA，300 MVA和100 MVA，平波電抗器為20 mH。MMC采用快速仿真模型[14]，每個(gè)橋臂的子模塊個(gè)數(shù)為270，子模塊電容為6 000 μF，子模塊額定電壓為1.6 kV。A站和B站相距80 km，B站和C站相距50 km。

圖4 三端MMC-HVDC示意

4.2 過電壓仿真分析

基于上述仿真系統(tǒng)（直流系統(tǒng)未配置避雷器），在換流站交流側(cè)、換流閥內(nèi)部、換流站直流場(chǎng)和直流海纜等位置設(shè)立故障點(diǎn)，針對(duì)系統(tǒng)故障時(shí)直流斷路器不分?jǐn)嗪头謹(jǐn)?種情況進(jìn)行故障掃描仿真。

從仿真結(jié)果來看，在系統(tǒng)故障但直流斷路器不動(dòng)作的情況下，換流閥直流出口側(cè)單極接地故障或直流線路單極接地故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)K過電壓水平最為嚴(yán)重，瞬時(shí)過電壓為額定電壓的2.5倍左右，該結(jié)果與文獻(xiàn)[15]的仿真結(jié)果相似。在系統(tǒng)故障但直流斷路器動(dòng)作情況下，節(jié)點(diǎn)K過電壓水平最為嚴(yán)重的情況仍是換流閥直流出口側(cè)單極接地故障和直流線路單極接地故障，瞬時(shí)過電壓為額定電壓的3.5倍左右。

4.3 過電壓機(jī)理研究

（1）系統(tǒng)未配置避雷器的情況下，當(dāng)出現(xiàn)單極接地故障時(shí)，正常極的電壓將抬升至額定電壓的2倍左右（瞬間電壓會(huì)更高）。直流海纜對(duì)外呈現(xiàn)容性，故障后，伴隨著正常極和故障極上直流電壓的變化，直流海纜進(jìn)入充放電狀態(tài)。較大的充放電電流流經(jīng)直流斷路器后引發(fā)直流斷路器保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)直流斷路器轉(zhuǎn)移支路閉鎖后，電流對(duì)全橋子模塊電容形成充電效應(yīng)，導(dǎo)致直流斷路器兩側(cè)的電壓差增加。當(dāng)兩側(cè)電壓差大于自身避雷器動(dòng)作值時(shí)，避雷器動(dòng)作，吸收直流網(wǎng)絡(luò)剩余能量。由于正常極的直流海纜此時(shí)處于近2倍的過電壓水平，因此，連接點(diǎn)K的過電壓水平理論上可以達(dá)到直流額定電壓的3.5倍（海纜電壓+直流斷路器兩側(cè)壓差）。不過，該過電壓水平僅為理論最大值，實(shí)際還需要考慮海纜波過程等因素對(duì)系統(tǒng)過電壓水平的影響。

（2）系統(tǒng)配置避雷器而連接點(diǎn)K不配置避雷器的情況下，直流線路發(fā)生單極接地故障后的電流回路如圖5所示。此時(shí)，連接點(diǎn)K的過電壓水平為極線避雷器殘壓與直流斷路器的避雷器殘壓之和。由于閥頂避雷器和極線避雷器的殘壓水平一般都設(shè)計(jì)在額定電壓的2倍以上，因此，連接點(diǎn)K最大過電壓水平與上述系統(tǒng)未配置避雷器的情況相似。

圖5 連接點(diǎn)K未安裝避雷器的電路結(jié)構(gòu)示意

（3）系統(tǒng)配置避雷器且連接點(diǎn)K也配置避雷器的情況下，直流線路發(fā)生單極接地故障后的電流回路如圖6所示。極線避雷器、直流斷路器避雷器、連接點(diǎn)K處避雷器三者的保護(hù)水平和吸收能量等參數(shù)應(yīng)進(jìn)行匹配研究，直流斷路器的相關(guān)參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況定制化設(shè)計(jì)。

5 緩解過電壓的保護(hù)策略研究

從上一節(jié)分析可以看出，由于安裝了直流斷路器，連接點(diǎn)K的過電壓水平將明顯高于系統(tǒng)其他位置，即使通過過電壓校核、一次設(shè)備設(shè)計(jì)的方式能夠滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求，但若能夠通過保護(hù)策略的優(yōu)化來緩解一次設(shè)備過電壓水平，可在一定程度上減緩一次設(shè)備老化速度，延長(zhǎng)設(shè)備的有效使用壽命。

圖6 連接點(diǎn)K安裝避雷器的電路結(jié)構(gòu)示意

連接點(diǎn)K最大過電壓出現(xiàn)在直流發(fā)生單極接地故障且直流斷路器轉(zhuǎn)移支路關(guān)斷之后，此時(shí)，緩解連接點(diǎn)K過電壓水平有2種方法。方法1，抑制流過直流斷路器的故障電流，使得全橋子模塊電容不被充電，進(jìn)而降低直流斷路器兩側(cè)的電壓差；方法2，通過切除故障點(diǎn)，消除直流偏置電壓，進(jìn)而降低正常極直流海纜電壓后再斷開正常極的直流斷路器。

安裝于換流站出口側(cè)的直流斷路器（圖4所示DBA，DBB1和DBC）可通過閉鎖相連換流閥達(dá)到方法1的效果，但安裝于直流母線與直流海纜之間的斷路器（圖4所示DBB2和DBB3）卻只能通過閉鎖所有換流站才能達(dá)到方法1的效果。因此，方法1不宜采納，且先閉鎖換流閥再斷開直流斷路器的方式限制了直流斷路器的運(yùn)行靈活性。

方法2可以通過先斷開故障極上海纜線路兩側(cè)的直流斷路器，待正常極直流電壓回落至某一值時(shí)，再斷開與故障線路相對(duì)應(yīng)的正常極上兩側(cè)的直流斷路器。相比于直流系統(tǒng)雙極短路故障，單極接地故障引發(fā)的過電流明顯要小得多，尤其是故障極上故障線路兩側(cè)的斷路器斷開后，正常極上的電流將顯著降低，因此，上述方法不會(huì)將直流斷路器置于過流燒毀的風(fēng)險(xiǎn)之中，具有較好的可行性。為實(shí)現(xiàn)方法2的保護(hù)功能，正負(fù)極間應(yīng)具有先斷開故障極直流斷路器后斷開正常極直流斷路器的能力。為此，利用直流單極接地故障體現(xiàn)出的電壓偏移特性，增加設(shè)計(jì)的直流斷路器保護(hù)策略（如圖7所示），其中，Ioset為直流斷路器過電流動(dòng)作設(shè)定值，Idmes為流過直流斷路器的電流測(cè)量值，Uset為直流高電壓設(shè)定值，Udmes為直流電壓測(cè)量值。Ioset因系統(tǒng)而異，一般可以設(shè)置為直流額定電流值的2.5倍左右，Uset可以設(shè)置為直流電壓額定值的1.25倍左右（圖4系統(tǒng)Uset可設(shè)定為250 kV）。

圖7 過電壓緩解保護(hù)策略示意

從圖7可以看出，Udmes和Uset經(jīng)滯環(huán)比較環(huán)節(jié)再經(jīng)短時(shí)間的延時(shí)并取反后并入斷路器關(guān)斷指令邏輯與門，滯環(huán)比較環(huán)節(jié)用于防止信號(hào)抖動(dòng)對(duì)邏輯判斷的影響。因此，當(dāng)直流電壓較高時(shí)，除部分特殊保護(hù)外，直流斷路器將不能被關(guān)斷，這將有效實(shí)現(xiàn)直流單極接地故障后，正常極直流斷路器的延后關(guān)斷，從而達(dá)到方法2的效果。

6 仿真研究

在4.1節(jié)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)置閥頂避雷器和極線避雷器的保護(hù)水平為390 kV，直流斷路器的保護(hù)水平為320 kV，連接點(diǎn)K不設(shè)置避雷器。A站為定直流電壓站，B站和C站為定直流功率站且滿功率運(yùn)行，在A站負(fù)極直流斷路器和直流海纜之間設(shè)置單極接地故障點(diǎn)。

若不采用過電壓緩解保護(hù)策略，故障后的系統(tǒng)響應(yīng)特性曲線如圖8所示。其中，Udp1—Udp3和Udn1—Udn3分別為圖5所示的正極和負(fù)極上閥頂避雷器、連接點(diǎn)K、極線避雷器處的直流電壓，Idp為正極直流電流，DBactive為斷路器轉(zhuǎn)移支路關(guān)斷指令。故障發(fā)生后，負(fù)極直流電壓迅速衰減至零值附近，正極直流電壓抬升至380 kV左右，與此同時(shí)，直流電流最高點(diǎn)升至5.15 kA，引發(fā)直流斷路器動(dòng)作。直流斷路器轉(zhuǎn)移支路關(guān)斷后，正極連接點(diǎn)K處的最大電壓為674 kV，相比于關(guān)斷前，直流電壓抬升了294 kV，直流電流快速衰減至0。

圖8 無過電壓緩解保護(hù)策略下的故障響應(yīng)曲線

圖9 具有過電壓緩解保護(hù)策略下的故障響應(yīng)曲線

若采用過電壓緩解保護(hù)策略，在相同的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，故障后的系統(tǒng)響應(yīng)特性曲線如圖9所示。其中，Idn為負(fù)極直流電流，DBactive1和DBactive2分別為正極線路兩側(cè)直流斷路器和負(fù)極線路兩側(cè)直流斷路器轉(zhuǎn)移支路的關(guān)斷信號(hào)。

從圖中可以看出，故障發(fā)生5 ms內(nèi)負(fù)極直流海纜兩側(cè)所在的直流斷路器斷開，正極直流電流和負(fù)極直流電流立刻衰減至0，同時(shí)，正極直流電壓從402 kV開始衰減。正極直流斷路器因過電壓緩解保護(hù)而不分?jǐn)?。?jīng)過35 ms后，正極直流電壓衰減至250 kV，過電壓緩解保護(hù)邏輯不再滿足，正極直流斷路器分?jǐn)唷碾妷翰ㄐ慰梢钥闯?，此時(shí)連接點(diǎn)K未出現(xiàn)如圖8所示的過電壓情況，表明了保護(hù)策略的有效性。

需要說明的是，故障線路兩側(cè)的直流斷路器斷開后，正常極的直流電壓由剩余健全的直流系統(tǒng)通過直流電壓控制實(shí)現(xiàn)從過電壓向額定電壓的變化。從電路結(jié)構(gòu)上來講，直流海纜的充放電回路由交流側(cè)接地、換流閥和海纜等效對(duì)地電容構(gòu)成。交流側(cè)接地方式、換流閥控制策略以及海纜分布電容參數(shù)都會(huì)影響正常極電壓衰減的時(shí)間常數(shù)，難以實(shí)現(xiàn)解析計(jì)算。但是，從仿真結(jié)果來看，正常極直流電壓從額定電壓的2倍左右衰減至1.25倍，衰減時(shí)間基本都在百毫秒內(nèi)。延時(shí)斷開的正常極線路兩側(cè)的直流斷路器能夠在短時(shí)間內(nèi)有效斷開，不影響健全系統(tǒng)的運(yùn)行。

7 結(jié)論

（1）采用直流海纜輸電的偽雙極直流輸電系統(tǒng)在安裝直流斷路器后，會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)的過電壓特性產(chǎn)生影響，尤其是在直流海纜單極接地故障下，直流斷路器相鄰位置的過電壓情況最為嚴(yán)重。

（2）提出的通過引入電壓判據(jù)來控制直流斷路器延時(shí)關(guān)斷的過電壓緩解保護(hù)策略能夠較好地抑制直流系統(tǒng)嚴(yán)重過電壓的發(fā)生。接地方式研究[J].浙江電力，2014，33（4）∶10-13.

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Analysis on the Influence of DC Circuit Breaker on the Over-voltage Characteristics of DC Grid

XU Feng1，LI Jihong2，ZHU Chengzhi2，ZHANG Shujun2， TONG Kai1

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014， China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company， Hangzhou 310007， China）

DC circuit breakers installed in the DC power grid will have an impact on the overvoltage characteristics of the DC system.The insulation characteristics of the locations adjacent to the DC circuit breakers need to be carefully checked particularly.Based on the operational principle analysis of the hybrid DC circuit breakers， the overvoltage mechanism research and simulation analysis are carried out for the two schemes，one is installing arrester at the adjacent location and the other is not.Under the DC monopole grounding fault， in order to further reduce the overvoltage during the breaking of the DC circuit breaker， a protection strategy for the mitigation of the adjacent node overvoltage is proposed based on voltage criterion.Finally，through simulation of a three-terminal DC system in PSCAD/EMTDC，feasibility and validity of the protection strategy for over-voltage mitigation are verified.

DC gird； DC circuit breaker； arrester； protection strategy； mechanism study

10.19585/j.zjdl.201709003

1007-1881（2017）09-0013-06

TM561

A

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（5211DS16000C）

2017-05-04

許 烽（1988），男，工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姾腿嵝灾绷鬏旊娂按蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)。

（本文編輯：方明霞）