机械式高压直流断路器工程应用研究

陈名 ,黎小林 ,许树楷 ,张祖安 ,李岩 ,饶宏 ,何俊佳 ,李艳林 3  

(1.直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院),广东省 广州市 510663;2.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北省 武汉市 430074;3.思源电气股份有限公司,上海市 闵行区 201108)

摘要

针对柔性直流输电系统直流侧故障快速清除的难题,结合南澳多端柔性直流输电工程的实际生产应用需求,提出了一种新型机械式高压直流断路器拓扑方案,研制出了160 kV超快速机械式高压直流断路器产品,提出了一种采用发电机源提供电流来模拟直流故障的开断试验方法,并完成了双向大电流开断试验,开断电流大于9 kA、开断时间小于5 ms。研究并提出了160 kV机械式高压直流断路器工程应用技术方案,并完成南澳加装高压直流断路器示范工程的现场系统调试,试验结果表明其圆满地解决了南澳多端柔性直流系统第三站在线投切和直流线路故障隔离清除的难题,有效地提高了南澳多端柔性直流输电系统的灵活性和可靠性。

关键词 : 机械式高压直流断路器;拓扑结构;开断试验;工程应用

基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA050103);南方电网公司重点科技项目(CSGTRC-K163004)。

0 引言

随着电力电子技术不断发展进步,直流输电以其独有优势得到飞跃发展。目前世界上已运行的直流输电系统绝大多数仍采用点对点连接方式,其最主要原因就是缺乏可靠的高压直流断路器。特别是基于半桥结构的柔性直流输电系统,由于其直流侧阻抗很小,一旦发生直流侧短路故障,系统将会向故障点馈入电流,故障电流上升速度很快,若不能在几个毫秒时间内及时切除短路故障,则会导致所有换流器闭锁,交流断路器跳开,整个系统停运,极大地影响系统的可靠性。此外,在点对点的直流输电系统基础上构建出更经济、可靠和灵活的多端直流电网是未来电网发展趋势。因此研制出可用于柔性直流输电系统的高压直流断路器,对于保障多端柔性直流输电系统或直流电网的稳定可靠运行具有重要意义。

由于直流电流无自然过零点,高压直流断路器要实现几个毫秒内快速开断直流故障电流,技术难度高。近几年,关于高压直流断路器的研究主要集中于基于电力电子器件的混合式直流断路器 [1-4] 和基于人工过零型的机械式直流断路器 [5-9] 

相比于混合式或固态式高压直流断路器带来的成本、占地等难题,机械式高压直流断路器具有损耗小、成本低、占地面积小且可直接户外布置等优势,成为高压直流断路器的主要研究热点之一。为了解决传统机械式直流断路器高电位储能带来的绝缘和成本问题以及火花间隙熄弧随机性带来的开断可靠性问题,南方电网科学研究院和华中科技大学、思源电气股份有限公司经过联合研发,提出了一种基于耦合电抗器的耦合型机械式高压直流断路器拓扑方案,研制出±160 kV机械式高压直流断路器,提出了一种采用发电机源提供电流来模拟直流故障的开断试验方法,并成功完成了双向大电流开断试验,并针对南澳多端柔性直流工程实际生产需求,提出可实现第三站在线投入退出、直流侧故障清除等功能的应用技术方案,实现了世界上首台机械式高压直流断路器的工程应用。

1 机械式高压直流断路器拓扑方案

1.1 拓扑结构

本文提出了一种基于耦合电抗器的机械式高压直流断路器拓扑,如图1所示。与传统机械式直流断路器相比,该拓扑采用了空芯式耦合电抗器将其分为高压侧和低压侧。其主要优点为:通过耦合电抗器将换流支路的高压触发开关转移到低压侧,显著降低了触发晶闸管SCR的电压等级和驱动控制难度。同时预充电电容C 位于低压侧,绝缘要求低,解决了高电位充电难题。此外,高压侧电容C 无长期耐压通流要求,显著降低其成本及体积,因此进一步提升了基于该拓扑的机械式高压直流断路器的经济性。

图1 耦合型机械式高压直流断路器拓扑 
Fig.1 Topology of a coupling mechanical HVDC circuit breaker

1.2 工作原理

该耦合型机械式高压直流断路器的工作原理表述如下:

1)正常导通时,电流流过高压侧机械开关CB。

2)直流系统发生短路故障后,流过CB的故障电流上升。直流断路器收到分闸指令,此时CB开始分断燃弧。当CB触头分离到有效开距足以耐受暂态恢复电压时,触发晶闸管SCR导通,低压侧预充电电容C 通过SCR、L 放电,低压侧能量通过耦合电抗器传递到高压侧,在换流支路(L -C )产生高频振荡电流,振荡电流与CB上的直流故障电流叠加将产生电流过零,使得主通流支路电流迅速转移到换流支路,CB熄弧断开后,故障电流已完全转移到换流支路上。

3)随着C 的电压上升,并施加在CB两端,当CB两端电压达到避雷器MOV的动作电压时,故障电流流过MOV支路并迅速下降,直到故障电流下降到零,系统剩余能量则全部被MOV吸收,直流断路器完成了故障电流的全开断。

2 160 kV机械式高压直流断路器的设计

2.1 技术方案

为了实现160 kV机械式高压直流断路器快速开断直流故障电流,可采用四个额定直流电压为40 kV的机械开关模块单元串联,其中每个模块包括真空开关VCB、暂态均压元件C 、R 和静态均压电阻R ,四个机械开关模块共用一台避雷器MOV,因此160 kV机械式高压直流断路器的技术方案如图2所示。

图2 160 kV机械式高压直流断路器方案 
Fig.2 Scheme of 160 kV mechanical HVDC circuit breaker

该技术方案中采用UPS电源经隔离变压器T 升压,然后通过高压硅堆D 整流成直流电压对储能电容C 充电至目标电压U ,电阻R 用于限制充电过程中的冲击电流;耦合电抗器采用带绕式空芯结构,其中耦合系数k值越高则能量传输效率越高。

2.2 整体布置方案

160 kV机械式高压直流断路器主通流支路由4个真空开关串联实现,采用分层布置,高、低两层各布置2个。直流断路器的本体占地尺寸为6200 mm×5500 mm×8000 mm,可同时满足90°与180°两种接线方式。

2.3 整体绝缘布局设计

为满足±160 kV南澳多端柔性直流输电系统的要求,160 kV机械式高压直流断路器的绝缘性能要求为:端间直流耐压≥252 kV,操作冲击耐压≥350 kV,雷电冲击耐压≥450 kV;端对地直流耐压≥252 kV,操作冲击耐压≥450 kV,雷电冲击耐压≥550 kV。

由于机械式高压直流断路器是由多个部件组成的成套设备,各部件的布局设计应在满足上述整体绝缘性能要求的前提下,尽量布置紧凑,从而减少占地。为确保机械式高压直流断路器电气布置的安全性、合理性,需要确定各部件间的相对位置是否满足绝缘要求。各部件间的绝缘均需通过各类绝缘子或空气间隙承担,因此需要根据绝缘要求选择合适的空气净距和爬电比距。

各部件间的空气安全净距由冲击耐受电压、间隙类型以及大气环境等因素共同决定,可根据通用的直流工程经验,采用g参数法设计。确定机械式高压直流断路器各部件间所需的空气净距时,首先需要根据系统对高压直流断路器的整体绝缘水平要求,确定高压直流断路器各部件间所需耐受的操作冲击电压和雷电冲击电压;然后根据雷电冲击和操作冲击计算得到的空气净距,取两者中的较大者作为最小空气净距要求值。同时结合GB 311.1—2012《绝缘配合》中空气净距与击穿电压关系表,选取空气安全净距参考值。

3 型式试验

整机的型式试验项目包括直流断路器端间绝缘试验、端对地绝缘试验、开断试验、主回路电阻测量、关合试验、温升试验、室温下机械操作试验、端子静负载试验、辅助回路和控制回路试验、电磁兼容试验等,下面主要介绍一下开断试验。

3.1 开断试验电路

目前,针对高压直流断路器的电流开断试验,国内外尚无相关标准 [10] 。经计算,160 kV机械式高压直流断路器的开断试验电路需要具备产生9 kA以上电流,并具有260 kV以上暂态恢复电压能力。如果要求试验电路直接产生9 kA的直流电流,并提供相应的暂态恢复电压,投资成本将相当高。目前国内外通行的做法是采用发电机或LC低频振荡回路产生交流电流来模拟直流故障电流。文献[11]对它们的等效性进行了研究,结论表明高压直流断路器的电流开断试验采用发电机的等效性比采用LC低频振荡回路要更好。

本试验采用50 Hz交流发电机为160 kV机械式高压直流断路器提供交流电流来模拟直流故障电流的开断,试验电路如图3所示。

图3 机械式高压直流断路器电流开断试验电路 
Fig.3 Current breaking test circuit for mechanical HVDC circuit breaker

图3中试验电路主要分为3部分:发电机源、调频回路及试品。发电机源部分包括交流发电机U ,输出电压3 kV~12 kV可调;可调电感L ,用于调节开断电流;变比可调的升压变压器T,变比最大为12:224;发电机源辅助合闸开关FK 1,试验时合闸;发电机源辅助分闸开关FK2,用于在机械式高压直流断路器开断完成后切断发电机源。调频回路部分包含调频电容C ,用于调节开断后恢复电压幅值及上升率。试品为160 kV机械式高压直流断路器。试品的机械开关断口电流过零开断后,其换流支路与发电机源、调频回路共同作用在机械开关断口上产生恢复电压。

3.2 开断试验结果

小电流开断情况下di/dt较大,产生的反峰峰值相对于大电流开断时明显增大,但小电流开断过程中燃弧能量极小,弧后介质恢复条件良好,介质恢复速度很快,足以耐受电流零区附近的高di/dt和高du/dt。真空熄弧理论和小电流直流开断试验证明,小电流开断条件良好,不容易发生重击穿现象。同时在断路器设计过程中,设置触发开关连续触发,保证换流回路连续振荡,在机械开关支路能够产生多个电流过零点,机械开关灭弧单元有多次过零点熄弧机会,以进一步提升小电流开断的可靠性。

利用图3所示的试验电路,对已研制出的160 kV机械式高压直流断路器进行了正、反向9 kA级大电流开断试验,试验现场如图4所示,试验结果如图5和6所示,相关的试验结果的说明如下。

图5中,第3 ms时刻,试验电路中开关FK1合上,同时机械式高压直流断路器的机械开关开始分闸并燃弧,流过机械开关的电流持续上升;在第6.5 ms时刻,机械开关断口电流上升到9.2 kA,触发机械式高压直流断路器的换流支路中SCR导通,预充电电容C 放电,对机械开关断口注入振荡电流;在第6.9 ms时刻,机械开关断口电流振荡过零并完成开断,断口恢复电压迅速建立。试验结果表明,机械式高压直流断路器成功开断了9.2 kA正向电流,TRV峰值达到272 kV,开断时间3.9 ms。

图6中,第4 ms时刻,开关FK 1合上,同时机械式高压直流断路器的机械开关开始分闸并燃弧;在第7.5 ms时刻,机械开关断口电流上升到-9.2 kA,触发SCR导通;在第8.6 ms时刻,机械开关断口电流振荡过零并完成开断,恢复电压迅速建立。试验结果表明,机械式高压直流断路器成功开断了9.2 kA反向电流,TRV峰值达到262 kV,开断时间为4.6 ms。

图4 160 kV机械式高压直流断路器试验 
Fig.4 160 kV mechanical HVDC circuit breaker test

图5 正向9.2 kA电流开断试验波形 
Fig.5 Forward 9.2 kA current breaking test waveform

图6 反向9.2 kA电流开断试验波形 
Fig.6 Reverse 9.2 kA current breaking test waveform

图7 南澳加装直流断路器系统示意图 
Fig.7 The diagram of Nan’ao installed DC circuit breaker system

4 南澳加装直流断路器应用技术方案

4.1 工程应用技术方案

±160 kV南澳多端柔性直流工程于2013年底建成并投运,该工程包括塑城、金牛和青澳3个换流站,采用基于半桥型子模块级联型多电平换流器,其主要作用是将南澳岛上分散的间歇性清洁风电经青澳站和金牛站接入并通过塑城站输出送往大陆。结合南澳多端柔性直流输电工程的实际生产需求,提出了加装两台机械式高压直流断路器的应用技术方案,如图7所示。两台直流断路器分别安装在青澳站至金牛站汇流母排之间的正极和负极。

4.2 实现功能

通过加装直流断路器,可为现有南澳直流系统的运行带来如下改进:

1)当三站稳定运行时,如若使青澳站停运,则运行人员可以通过断开直流断路器,实现青澳站计划内的在线退出,在该过程中塑城站和金牛站保持正常运行;如若使青澳站再次投入运行,可以通过闭合直流断路器,实现青澳站在线投入。

2)当青澳站内发生故障如换流器模块故障、二次控制保护设备故障、阀侧接地故障等,控制保护可以通过断开直流断路器,实现青澳站的非计划退出,塑城站和金牛站保持正常运行,故障清除后闭合直流断路器,青澳站再在线投入。

3)当青澳站与直流断路器之间的架空线路某一点发生直流线路故障,可以通过直流断路器开断故障电流,实现青澳站的非计划退出,塑城站和金牛站保持正常运行,故障清除后青澳站可在线投入。

5 现场系统调试

为了验证加装直流断路器后的南澳多端柔性直流输电系统,开展了包括直流断路器顺序控制试验、直流断路器旁路时的运行试验和带直流断路器的运行试验3大部分共计23项试验,下面主要对青澳站在线退出、青澳站在线投入和人工短路3个关键试验进行介绍。

5.1 青澳站在线退出

高压直流断路器实现青澳站在线退出的逻辑如下:当系统发出在线退出青澳站指令时,青澳站降功率,功率降至接近为0时闭锁青澳站,随后给直流断路器开断指令,开断时间约为3.5 ms;直流断路器开断后,青澳站交流断路器随后跳开,金牛站和塑城站保持正常运行。该项试验验证了直流断路器可实现第三站在线退出功能,试验结果显示青澳站在线退出正常,即青澳站直流电压下降,直流电流降为0,系统方式由三站运行转为塑城—金牛两站运行,现场调试试验波形如图8所示。

5.2 青澳站在线投入

高压直流断路器实现青澳站在线投入的逻辑如下:直流断路器首先处于断开状态,金牛站、塑城站解锁并在两站稳定运行后,系统给出青澳站在线投入指令,此时青澳站解锁,当青澳站直流侧电压升到额定电压时,直流断路器开始合闸,合闸时间为10 ms。直流断路器合闸成功后,青澳站输出功率开始上升至设定值。

该项试验验证了直流断路器可实现第三站在线投入功能,试验结果显示青澳站在线投入正常,即青澳站直流电压上升至额定值,直流电流上升至设定值,系统方式由塑城站和金牛站两站运行转三站运行,现场调试试验波形如图9所示。

图8 青澳站在线退出现场调试试验波形 
Fig.8 The test waveform for Qing'ao station exit during system operation

图9 青澳站在线投入现场调试试验波形 
Fig.9 The test waveform for Qing'ao station put-in during system operation

图10 人工短路试验现场录波 
Fig.10 The waveform of artificial short circuit test

5.3 人工短路试验

南澳加装高压直流断路器后的现场调试期间,在青汇线23号杆塔进行了负极直流线路人工短路试验,试验过程如下:

1)试验前,三站选择交直流并联运行,换流站处于备用状态,直流断路器处于投入状态。

2)在青汇线23号杆塔进行了负极直流线路人工短路试验。

3)3.4 ms后直流线路差动保护动作,青澳站闭锁,正负极直流断路器正确跳开,青澳站交流断路器跳开。

4)三站转塑城—金牛两站运行,成功实现故障隔离,人工短路试验成功。

试验期间,直流断路器在第一个过零点开断,开断时间约为3.5 ms。现场试验波形如图10所示。

6 结论

本文针对±160 kV南澳多端柔性直流工程对高压直流断路器的实际需求,开展了160 kV机械式高压直流断路器工程应用研究,主要结论如下:

1)本文提出的新型机械式高压直流断路器拓扑方案,可显著降低机械式高压直流断路器触发开关的电压等级,解决换流支路预充电电容高电位、多电位充电难题。

2)提出160 kV机械式高压直流断路器的技术方案和整体布置方案;研制出了160 kV 超快速机械式高压直流断路器产品;提出的采用发电机源提供电流来模拟直流故障的开断试验方法,完成双向大电流开断试验,开断电流大于9 kA、开断时间小于5 ms。

3)应用本文提出的160 kV机械式高压直流断路器工程技术方案,完成南澳加装高压直流断路器示范工程的现场系统调试,试验结果表明研制的机械式高压直流断路器解决了南澳多端柔性直流系统第三站在线投切和直流线路故障隔离清除的难题,有效地提高了南澳多端柔性直流输电系统的灵活性和可靠性。

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Engineering Application Research for Mechanical HVDC Circuit Breaker  

CHEN Ming , LI Xiaolin , XU Shukai , ZHANG Zu-an , LI Yan , RAO Hong , HE Junjia , LI Yanlin 
(1.State Key Laboratory of HVDC (Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid),Guangzhou 510663, Guangdong Province, China;2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology(Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China;3.Siyuan Electric Co.,Ltd., Minhang District, Shanghai 201108, China)

Abstract: For the problem of fast isolating of the DC side fault of the VSC-HVDC transmission system, and combining the actual application requirements of Nanao multi-terminal VSCHVDC transmission project, this paper proposes a new topology of mechanical HVDC circuit breaker.Then an ultra-fast 160 kV mechanical HVDC circuit breaker has been developed and a test circuit with the use of generator source to provide AC current to simulate the DC fault current breaking is proposed.The positive and negative high current breaking tests are performed.The experimental results show that the breaking current is greater than 9 kA, the breaking time is less than 5 ms.The engineering application technology program of the 160 kV mechanical HVDC circuit breaker is researched and proposed.And the onsite system commissioning of the Nanao HVDC circuit breaker project is completed, the experimental results show that it satisfactorily solved the problems of online switching of the third station and fast isolating of the DC side fault for Nanao multi-terminal VSC-HVDC system.It has effectively improved the flexibility and reliability of Nanao multi-terminal VSCHVDC transmission system.

Keywords: mechanical HVDC circuit breaker; topology structure; current breaking test; engineering application

National High Technology Research and Development Program of China (2013AA050103); Science and Technology Foundation of China Southern Power Grid (CSGTRC-K163004).

陈名

作者简介:

陈名(1984),男,博士,高级工程师,研究方向为柔性直流输电、高压直流断路器,E-mail:chenming@csg.cn。

黎小林(1963),男,硕士,教授级高级工程师,研究方向为高压直流输电、柔性直流输电和高压直流断路器。

许树楷(1978),男,博士,教授级高级工程师,研究方向为直流输电、柔性输配电技术。

张祖安(1989),男,硕士,工程师,研究方向为高压直流输电、高压直流断路器。

李岩(1973),男,博士,教授级高级工程师,研究方向为高压直流输电、柔性直流输电。

饶宏(1961),男,学士,教授级高级工程师,研究方向为高压直流输电、柔性直流输电。

何俊佳(1968),男,博士,教授,研究方向为电弧电接触、电力系统过电压、电磁发射技术。

李艳林(1984),男,硕士,工程师,研究方向为高压直流断路器、高速开关技术。

(责任编辑 张宇)


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