衛(wèi)宇辰 郭小江 候永超
摘要:高壓直流斷路器的使用對(duì)于直流電網(wǎng)系統(tǒng)特別是柔性直流電網(wǎng)的發(fā)展有著重要意義。高壓直流斷路器使得柔性直流輸電可以成網(wǎng)運(yùn)行,有效提高了柔性直流的輸電容量和可靠性,產(chǎn)生了更多的運(yùn)行方式。但在實(shí)際運(yùn)用過程中,由于高壓直流斷路器的結(jié)構(gòu)和開斷原理不同于交流斷路器,再加上直流電的特性不同于交流電,兩側(cè)隔離開關(guān)在合上的過程中會(huì)產(chǎn)生較大的電弧,對(duì)于運(yùn)行安全產(chǎn)生了一定的影響。鑒于此,分析了現(xiàn)有高壓直流斷路器兩側(cè)刀閘合上時(shí)產(chǎn)生電弧的原因,并進(jìn)行了仿真模擬,對(duì)于高壓直流斷路器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和安全運(yùn)行具有良好的借鑒意義。
關(guān)鍵詞:高壓直流斷路器;柔性直流電網(wǎng);電弧;運(yùn)行安全
0 引言
采用全控型器件作為換流模塊的柔性直流輸電技術(shù),由于其換流閥的高度可控性,可以方便地實(shí)現(xiàn)功率潮流反轉(zhuǎn)、四象限運(yùn)行、提供無功支撐等。相比于傳統(tǒng)直流輸電技術(shù),不會(huì)換相失敗的特性使得柔性直流輸電技術(shù)能夠在孤島方式下進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大功率的能源傳輸,而不需要送端與受端都有可靠交流電網(wǎng)的支撐。
柔性直流電網(wǎng)可以進(jìn)一步提高柔性直流輸電技術(shù)的可靠性,但遠(yuǎn)距離輸電線路瞬時(shí)故障則可能引起兩端換流閥全部閉鎖,進(jìn)而大大影響輸電可靠性。因此,具備重合閘功能的高壓直流斷路器對(duì)于柔性直流電網(wǎng)尤為重要。
世界上首個(gè)柔性直流電網(wǎng)工程是中國的“±500 kV張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)示范工程”,該工程使用了多種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合式直流斷路器,本文稱其為高壓直流斷路器。
1 高壓直流斷路器簡介
直流斷路器可以分為三類:機(jī)械式直流斷路器、固態(tài)式直流斷路器、混合式直流斷路器。其中,混合式直流斷路器,即高壓直流斷路器無分?jǐn)嗨绤^(qū),高度可控,具備重合閘能力,基本可以滿足柔性直流電網(wǎng)的要求,是目前主流的發(fā)展路線。
高壓直流斷路器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
高壓直流斷路器主支路主要發(fā)揮兩個(gè)作用:一是高壓直流斷路器在合位狀態(tài)時(shí)采用主支路通流,以實(shí)現(xiàn)較小的通態(tài)損耗;二是在需要高壓直流斷路器切斷電流時(shí),主支路形成機(jī)械斷口,實(shí)現(xiàn)該支路的有效隔離。
轉(zhuǎn)移支路是高壓直流斷路器實(shí)現(xiàn)其功能的主要手段,原理是利用多層級(jí)聯(lián)的IGBT器件,疊加電流關(guān)斷和反向承壓能力,在主支路形成斷口之后,將直流電流關(guān)斷,并通過耗能支路消耗殘余的電能。
耗能支路也是高壓直流斷路器必不可少的組成部分。耗能支路是由MOV非線性電阻組合而成,利用其高阻態(tài)的特性,吸收開斷電流后的殘余能量,將電流迅速下降到可接受的范圍。MOV每次吸收能量以后,需要一定的時(shí)間才能恢復(fù)絕緣強(qiáng)度,在此期間高壓直流斷路器的開斷能力會(huì)受到影響。
高壓直流斷路器工作時(shí),先將轉(zhuǎn)移支路導(dǎo)通,然后斷開主支路形成斷口,接著斷開轉(zhuǎn)移支路的電力電子開關(guān),通過耗能支路消耗能量??梢?,無論是通態(tài)還是斷態(tài),轉(zhuǎn)移支路和耗能支路始終并聯(lián)在直流線路中。
在高壓直流斷路器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,還有多種改進(jìn)的高壓直流斷路器,如:(1)主支路電力電子式,通過在主支路增加電力電子開關(guān)以提高主支路的開斷能力。(2)耦合負(fù)壓裝置式,通過在轉(zhuǎn)移支路增加耦合負(fù)壓裝置,在開斷瞬間利用耦合裝置產(chǎn)生的反向感應(yīng)電流,在轉(zhuǎn)移支路形成人工過零點(diǎn),減輕IGBT在關(guān)斷過程中的負(fù)擔(dān),將能量更多地消耗在耗能支路上。
2 高壓直流斷路器的運(yùn)行特點(diǎn)
高壓直流斷路器利用級(jí)聯(lián)的IGBT來進(jìn)行直流電流的關(guān)斷。其主支路包含機(jī)械斷口,而與主支路并聯(lián)的轉(zhuǎn)移支路和耗能支路并沒有真正斷口,即使在高壓直流斷路器分位的情況下,依然串聯(lián)在線路之中。
2.1 ? ?IGBT開斷直流電流的特點(diǎn)
2012年,ABB公司提出基于IGBT直接串聯(lián)的混合式直流斷路器方案,開發(fā)出額定電壓80 kV、分?jǐn)嚯娏? kA、分?jǐn)鄷r(shí)間3 ms的樣機(jī)。
IGBT相較于帶有滅弧裝置的斷路器,其分?jǐn)嗄芰^小,通態(tài)損耗較大,通過級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)開斷大電流的功能。
因?yàn)槊總€(gè)IGBT收到觸發(fā)信號(hào)的狀態(tài)不完全同步,自身關(guān)斷的速度也不完全相同,所以工程上無法實(shí)現(xiàn)多個(gè)串聯(lián)的IGBT同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。如果不采取一定的措施來削弱級(jí)聯(lián)IGBT不同步的影響,將會(huì)嚴(yán)重影響開斷功能。
2.2 ? ?IGBT通斷狀態(tài)不同步的影響
轉(zhuǎn)移支路是IGBT級(jí)聯(lián)規(guī)模較大的支路,也是電力電子器件發(fā)揮作用的主要支路。
在高壓直流斷路器分位,一側(cè)的線路達(dá)到額定電壓500 kV的狀態(tài)下,需要合上高壓直流斷路器時(shí),先合上機(jī)械開關(guān),再合主支路的電力電子開關(guān)。此時(shí)由于本身電流較小,通斷不同步問題產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。
在高壓直流斷路器合位,一側(cè)電壓為500 kV,另一側(cè)發(fā)生接地,電壓為零,電流為額定電流3 kA的狀態(tài)下,需要拉開高壓直流斷路器時(shí),先導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路的電力電子開關(guān),這個(gè)過程由于主支路的分流作用,通斷不同步問題的影響較小。在轉(zhuǎn)移支路導(dǎo)通后,關(guān)斷主支路的IGBT,之后拉開主支路的機(jī)械開關(guān),由于轉(zhuǎn)移支路的分流作用,通斷不同步問題的影響也較小。之后,通過關(guān)斷轉(zhuǎn)移支路的IBGT實(shí)現(xiàn)直流電流的切斷,此時(shí)通斷不同步的問題將產(chǎn)生很大影響。
以320個(gè)IGBT模塊串聯(lián)為例,每個(gè)IGBT模塊的導(dǎo)通時(shí)刻都不一致。首先導(dǎo)通的IGBT模塊稱為T1,第二個(gè)稱為T2,依次類推。在T1開斷而T2尚未開斷的時(shí)刻,相當(dāng)于T1承受了將近500 kV的電壓,如果T2未及時(shí)開斷,T1將被擊穿損壞,而后若T3未及時(shí)開斷,T2也會(huì)損壞。如果已損壞的IGBT被擊穿成為短路狀態(tài),當(dāng)剩下的IBGT個(gè)數(shù)不足以耐受500 kV電壓時(shí),所有的IBGT都將被擊穿,造成嚴(yán)重后果。
2.3 ? ?阻容分壓的作用
增加IGBT的冗余個(gè)數(shù)可以降低高壓直流斷路器被全部擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。
盡量縮短IGBT之間的導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間間隔,可以避免IGBT被擊穿的情況,需要考慮的有光信號(hào)的控制、產(chǎn)生和傳輸以及每個(gè)IGBT的關(guān)斷速度。
在每個(gè)IGBT模塊上并聯(lián)電容,利用電容電壓不可突變的特性實(shí)現(xiàn)IGBT模塊之間的均壓,是可行性較高的方案。
2.4 ? ?并聯(lián)電容對(duì)斷路器功能的影響
由于高壓直流斷路器應(yīng)用在直流輸電領(lǐng)域,電容的使用對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)幾乎沒有影響,但對(duì)開關(guān)本身帶電的暫態(tài)過程、開斷直流電流的暫態(tài)過程影響較大。
開斷直流電流的暫態(tài)過程由于電容的使用,電壓變化更加平緩,有利于功能的實(shí)現(xiàn)。而高壓直流斷路器本身從冷備用到熱備用的操作,由于電容的加入,其實(shí)相當(dāng)于設(shè)備帶電、給電容充電的過程。
正是由于這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即使在分位,高壓直流斷路器仍然沒有真正斷口,并不能實(shí)現(xiàn)電氣隔離的功能。
3 高壓直流斷路器帶電的仿真分析
下面以張北柔直工程中一臺(tái)高壓直流斷路器的狀態(tài)為例,分析孤島狀態(tài)下進(jìn)行極連接操作后高壓直流斷路器的狀態(tài)變化。
在孤島狀態(tài)下,正極所有設(shè)備為冷備用狀態(tài),金屬回線及接地極投入運(yùn)行,此時(shí)線路為+500 kV帶電狀態(tài),進(jìn)行極連接操作后,高壓直流斷路器仍處于分位,其他開關(guān)刀閘均處于合位。
以正極的一個(gè)高壓直流斷路器為例,高壓直流斷路器通過二極管與上橋臂的換流閥子模塊中的電容串聯(lián),再經(jīng)由下橋臂的二極管與換流閥子模塊中的電容串聯(lián),然后通過金屬回線連通到接地極,從而形成由多電容、二極管、充電電阻、橋臂電抗器、平波電抗器、線路構(gòu)成的一個(gè)帶二極管的RLC振蕩回路。需要注意的是,由于二極管的存在,電流第一次出現(xiàn)反向時(shí)振蕩過程就截止了,開始緩慢放電。
高壓直流斷路器帶電的過程,可以簡化為二階電路對(duì)階躍電壓的零狀態(tài)響應(yīng)。
3.1 ? ?電氣量
若限流電抗器的電感為L1,橋臂電抗器的電感為L2,單個(gè)橋臂電容的等效值為C1,高壓直流斷路器的轉(zhuǎn)移支路的總電容為C2,均壓電容本身串聯(lián)的總電阻為R1,直流啟動(dòng)電阻為R0。由于線路及連接處電阻不到R1和R0的千分之一,計(jì)算中忽略不計(jì)。
3.2 ? ?電流未過零階段的等量關(guān)系
根據(jù)基爾霍夫定律,可以列寫下式:
US=UC+UL+UR+UD
式中:US為階躍的電壓輸入;UC為等效電容兩端的電壓;UL為等效電感兩端的電壓;UR為等效電阻兩端的電壓;UD為線路中所有二極管串聯(lián)的總電壓,在電流正向流過時(shí),UD視為0。
充電結(jié)束后電容的電壓保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),電流為零。由于二極管的作用,電流第一次過零時(shí),充電過程就結(jié)束,因此重點(diǎn)關(guān)注電流的變化情況。
3.3 ? ?欠阻尼振蕩充電
此時(shí),線路的衰減常數(shù)T1=2.607×10-4 s,T2=6.394×10-4 s,在t=1 s時(shí)刻加電壓,自由充電過程如圖4所示。
考慮二極管的截止作用,電流的變化情況如圖5所示。
電流峰值為150 A,在0.659 ms時(shí)過零。過零時(shí)刻,非電容器件承壓276.94 V。
3.5 ? ?分析總結(jié)
在過阻尼的情況下,電流峰值較欠阻尼的峰值下降了25%,峰值到達(dá)時(shí)間延遲約0.01 ms,過零時(shí)刻延遲約0.07 ms,電容以外器件承壓略有降低。
4 高壓直流斷路器的應(yīng)用問題
4.1 ? ?電弧的產(chǎn)生
由于在刀閘合閘的過程中,斷口電壓近似500 kV,當(dāng)斷口間距小于0.167 m時(shí),斷口間的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到3×106 V/m,空氣將被擊穿。在充電過程中,電弧能夠穩(wěn)定燃燒,直至刀閘合上或者電流達(dá)到過零時(shí)刻。
由于刀閘合閘的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長,觸頭斷口從15 cm到合上仍需5 s左右的時(shí)間,因此主要燃弧時(shí)間即為電流首次過零所需時(shí)間。
電弧的產(chǎn)生對(duì)于閥廳內(nèi)設(shè)備的安全造成了一定影響,一般電力電子設(shè)備閥廳需配備紫外或紅外的火焰探測(cè)器,電弧也會(huì)對(duì)消防設(shè)施造成干擾。
4.2 ? ?電弧問題的解決思路
雖然通過串聯(lián)阻值更大的充電電阻可以降低電流,但會(huì)使電流過零更慢到達(dá)過零時(shí)刻,延長了電弧持續(xù)的時(shí)間。
高壓直流斷路器的工作特性使得電弧的產(chǎn)生不可避免,可以考慮在高壓直流斷路器兩側(cè)加裝滅弧裝置。
在高壓直流斷路器的兩側(cè)加裝SF6氣體填充的交流斷路器,雖然不具備直流電流的開斷能力,但可以進(jìn)行帶電時(shí)的最后一步合閘,為較小的直流電弧提供熄滅場(chǎng)所。
5 結(jié)語
混合式高壓直流斷路器由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在冷備用狀態(tài)轉(zhuǎn)向熱備用,即從無電到帶電的過程中可能產(chǎn)生電弧,可采用帶有滅弧室的機(jī)械端口輔助配合帶電過程。
高壓直流斷路器、SF6斷路器、直流刀閘互相配合,斷開時(shí)有真正的斷口,可以實(shí)現(xiàn)熱備用、冷備用、檢修狀態(tài)的簡單切換,正常運(yùn)行產(chǎn)生較小的通態(tài)損耗,具備開斷故障電流和實(shí)現(xiàn)重合閘的能力,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)行方式、構(gòu)建直流電網(wǎng)的功能。
[參考文獻(xiàn)]
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收稿日期:2021-03-25
作者簡介:衛(wèi)宇辰(1996—),男,山西陽城人,助理工程師,研究方向:柔性直流輸電技術(shù)。