羅 琛

（國網(wǎng)陜西省電力有限公司咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000）

引言

直流斷路器作為控制設(shè)備、保護設(shè)備的關(guān)鍵實施，是實現(xiàn)安全供電的基礎(chǔ)。但就目前現(xiàn)狀而言，直流斷路器技術(shù)還未完全成熟，因此需要對技術(shù)進行研究，總結(jié)更為科學(xué)有效的技術(shù)方案，以便給系統(tǒng)運行奠定基礎(chǔ)。

1 高壓直流斷路器的原理

對于高壓直流斷路器而言，其結(jié)構(gòu)組成包含了三條支路，分別為通流、轉(zhuǎn)移以及吸能支路。其中通流支路的作用在于實現(xiàn)電流傳導(dǎo)，由于通態(tài)損耗要求非常小，因此為達到電源斷開電流轉(zhuǎn)移的控制要求，通常在通流支路上會增加相關(guān)的液晶組件（IGBT）。系統(tǒng)動作時只要將通流支路的開關(guān)打開，電流就能按照設(shè)定的方案進行。且在斷開以后，通過吸能系統(tǒng)將多余的能力吸收。針對混合式直流斷路器來說，轉(zhuǎn)移支路屬于一系列的IGBT 或集成門極換流晶閘管控制組件，通過此類設(shè)備的應(yīng)用能夠讓電流得到速的阻斷，能夠滿足高壓系統(tǒng)的控制要求。

在機械式直流斷路器系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)移支路又被稱之為輔助支路，其組成結(jié)構(gòu)包含了觸發(fā)間隙、電感以及電容等結(jié)構(gòu)。一般情況下在機械開關(guān)口位置很容易出現(xiàn)大電流燃弧和滅弧現(xiàn)象，由此可認(rèn)為開斷支路就是通流支路。同時也可以認(rèn)為開斷是輔助支路實現(xiàn)的，這主要是由于主流通支路開關(guān)口電流為零時，系統(tǒng)斷路器的電流不為零，開關(guān)過程還處于動作狀態(tài)，并且停止，由此可判定斷路器完成開關(guān)。因此，機械直流斷路器的一系列動作均可以理解成電流向輔助支路轉(zhuǎn)移的一個過程，而其中開斷主要是通過輔助支路實現(xiàn)的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1[1]。

2 高壓直流斷路器的技術(shù)要求

1）保護速度非常快。因為柔性直流輸電系統(tǒng)的阻抗參數(shù)是比較小的，只要是存在短路故障問題，經(jīng)過斷路器的電流也會隨著時間的延長而不斷增大。根據(jù)目前國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，斷路器在故障發(fā)生后，應(yīng)在3～5 ms 內(nèi)立即切斷故障。如果不能達到這一要求，在故障發(fā)生后，其電流會不斷升高，容易超出系統(tǒng)開斷能力，無法達到開斷的狀態(tài)。此外，換流閥等設(shè)備受到系統(tǒng)存在的過大電流影響，導(dǎo)致?lián)p壞。

2）具備重合閘功能。以某大型電力項目為案例進行分析，其主要是應(yīng)用架空線的柔性直流電網(wǎng)設(shè)計形式，斷路器需要實現(xiàn)快速重合閘操作，以實現(xiàn)故障保護，系統(tǒng)運行更具安全性。只要是斷路器有重合閘的功能，在設(shè)計斷路器的環(huán)節(jié)，應(yīng)綜合分析重合到永久故障問題。此外，分析保護換流閥等設(shè)施的運行情況，并考慮到斷路器開斷能力，應(yīng)進行重合閘的再分?jǐn)鄳?yīng)有快速操作的要求，即斷路器應(yīng)與第一次開斷具備同樣速度，同時還要分析換流閥受到二次電力沖擊的作用，甚至存在加速開斷的情況。同時，了解到重合閘的功能情況下，能量吸收也會有所升高。這種情況之下，斷路器設(shè)計難度升高，運行質(zhì)量無法保證[2]。

3）故障可被就地檢測與識別。常規(guī)的交流系統(tǒng)對開斷時間也會有較高的要求，但是要求不如柔直系統(tǒng)高。同時，要想使得故障保護功能得以實現(xiàn)，不同分支線路所采用的斷路器動作時間應(yīng)該有所差異，結(jié)合實際情況做出改進和調(diào)整。以該理念展開分析，選擇交流斷路器時，通過應(yīng)用集中式繼電保護系統(tǒng)按照要求發(fā)出系統(tǒng)指令，以做好分閘操作、動作時序的控制，還要通過應(yīng)用滯留斷路器動作以達到故障的準(zhǔn)確性判斷，繼電保護功能可以穩(wěn)定運行，并按照要求實現(xiàn)動作操控。短路保護系統(tǒng)的命令傳輸要經(jīng)過一定的時間才能到達直流斷路器上，該信號傳輸系統(tǒng)會產(chǎn)生延遲性反應(yīng)，容易超出斷路器運行動作的時間。因此，在沒有明確規(guī)定的直流電網(wǎng)繼電保護系統(tǒng)之下，為了確保斷路器動作時間達到要求，盡量縮短動作時間，達到故障保護的效果，必須確保直流斷路器應(yīng)有故障診斷與識別的作用。

3 直流斷路器關(guān)鍵技術(shù)

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化

1）橋式半導(dǎo)體組件拓?fù)洹＿@是近年來多個高校共同研發(fā)的項目，如圖2 所示。這一系統(tǒng)主要的運行形式是橋式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)的IGBT 數(shù)量比較少，所以總體來說系統(tǒng)成本比較低。

2）耦合負(fù)壓原理的拓?fù)?。形式可見圖3，系統(tǒng)應(yīng)用負(fù)壓耦合功能的實現(xiàn)，滿足開斷功能的運行要求，系統(tǒng)電流會經(jīng)過支路直接轉(zhuǎn)移到支路上。根據(jù)系統(tǒng)運行的功能，盡量的簡化支路的組成形式，提升電流通行效率，但是在轉(zhuǎn)移中，可能是有弧的，這樣就會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的通流支路機械開關(guān)的開斷壓力升高。

3）限流能力的拓?fù)?。該結(jié)構(gòu)可見圖4 所示，系統(tǒng)的柔直系統(tǒng)阻抗系數(shù)相對較小，這種情況下，使得故障電流會不斷的增大。經(jīng)過一些專業(yè)技術(shù)人員的研究分析，得出直流斷路器與故障限流器組合的系統(tǒng)形式。通過故障限流器的應(yīng)用，在系統(tǒng)發(fā)生故障后，電流不會超出規(guī)定的范圍，也能夠預(yù)防發(fā)生系統(tǒng)電流增長速度加快的情況。如果限流器設(shè)計方案得以優(yōu)化，則能夠降低運行成本，操作與維護也會更加的方便，那么將直流斷路器與限流器的聯(lián)合應(yīng)用，成為目前人們的首選方案[3]。

4）耦合型機械式高壓直流斷路器。機械直流拓?fù)淦髯畛鯌?yīng)用于20 世紀(jì)中葉，直流系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用的MRTB 開關(guān)，動作時間并沒有過高的要求，這種情況下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以發(fā)揮出應(yīng)有的作用。將上述應(yīng)用時間較長的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)延伸到高電壓等級、快速動作的斷路器中，會存在較多的困難，比如動作快速、觸發(fā)球隙穩(wěn)定、電容器高電位充電等，所以應(yīng)用這一拓?fù)浞桨甘艿捷^大的阻力，很多企業(yè)都不會選擇這種方式。華中科技大學(xué)經(jīng)過多年的研究，于2016 年提出了耦合性機械直流斷路器拓?fù)洌妶D5。在系統(tǒng)運行之下，利用耦合變壓器得以功能的運行，并且將這一結(jié)構(gòu)應(yīng)用到某柔直系統(tǒng)內(nèi)，為160 kV 機械直流斷路器，由此可見，這種結(jié)構(gòu)具備一定的可行性，能夠達到運行的標(biāo)準(zhǔn)壓強。

5）組合式直流斷路器。除了上述各種方式外，很多研究人員經(jīng)過多年的研究，研發(fā)出組合式直流斷路器，這是一種融合多種結(jié)構(gòu)而成的功能形式，對系統(tǒng)運行能力提高有重要的意義。直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式的組成，是通過多臺直流斷路器所形成的開斷支路與吸能支路聯(lián)合之下應(yīng)用的，快速的完成故障分?jǐn)唷⒅睾蠎?yīng)用，有效地促進直流電網(wǎng)運行能力的提高，所以實際運行效果良好，經(jīng)濟性高。此外，該系統(tǒng)形式并不是實現(xiàn)獨立設(shè)備運行，并且已經(jīng)通過利用直流電網(wǎng)深度耦合的零散部件幾何。雖然拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)提高，但是當(dāng)前的不同拓?fù)浞桨付加幸欢ǖ膬?yōu)點與缺陷，還要加強拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析與驗證，從而達到系統(tǒng)優(yōu)化和改進的效果[4]。

3.2 高比能ZnO

目前我國的吸能支路主要是以ZnO 閥片并聯(lián)的方式，實現(xiàn)合理能量消耗，功能性得到提升，系統(tǒng)體積也會增大。雖然在中性轉(zhuǎn)移電路開關(guān)已經(jīng)被應(yīng)用到多種場合之下，多柱ZnO 并聯(lián)使用取得了較大的進展。但是在運行中，由于系統(tǒng)的吸能要求較高，而在運行中環(huán)境較為惡劣，同時目前的并聯(lián)ZnO 工作中，故障發(fā)生率較高，極易誘發(fā)爆炸的事故。因此，要想提升系統(tǒng)運行效果，應(yīng)切實提高ZnO 的閥片性能，保證單位能量吸收效果合格，且還要簡化支路組成結(jié)構(gòu)，是目前高壓直流斷路器領(lǐng)域的重點研究對象。但是當(dāng)前的研究水平還比較低，無法實現(xiàn)合理有效的應(yīng)用[5]。

3.3 隔離供能

從前文分析可以發(fā)現(xiàn)，高壓直流斷路器不僅具備開斷功能，還能夠進行一/二次融合，功能性非常的完善，包含信號測量、運算分析、機構(gòu)操作、器件驅(qū)動、部件監(jiān)測等各項功能，每一項組成部分都能夠滿足供電/供能的效果。比如，混合式高壓直流斷路器大量IGBT 驅(qū)動都要使用多種外部力量才能實現(xiàn)。同時，為了提高動作的速度和效率，通流直流開關(guān)還要在系統(tǒng)內(nèi)安裝渦流斥力機構(gòu)，滿足系統(tǒng)運行標(biāo)準(zhǔn)。由于系統(tǒng)需要使用大量的部件才能實現(xiàn)運行，運行負(fù)荷較高，所以對于系統(tǒng)各個部件的功能要求較高。同時，各個供能部件在不同平臺以及工位上，表現(xiàn)的性能不同，所以應(yīng)滿足電壓隔離性的要求。如果系統(tǒng)運行電壓較高，供能變壓器絕緣和功率會存在沖突的問題，以工頻供能還是高頻供能、不同點位隔離方法，都已經(jīng)全面的展開研究。

3.4 快速機械開關(guān)

為了使得高壓直流斷路器的動作速度滿足運行的要求，通流支路系統(tǒng)內(nèi)安裝的開關(guān)部分應(yīng)采用渦流斥力機構(gòu)驅(qū)動快速開關(guān)，同時還應(yīng)該在2～5 ms 內(nèi)分閘。如果電壓較高，多臺同時串聯(lián)運行。電磁斥力機構(gòu)工作時，應(yīng)在最佳條件下完成開距動作。如果開距不斷增大，電磁斥力機構(gòu)驅(qū)動效率會減小。但是如果開距很小，就說明串聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)安裝的裝置數(shù)量較多，內(nèi)部組成變得更加的復(fù)雜，開關(guān)系統(tǒng)配合度需要達到更高的要求。如何才能協(xié)調(diào)各個開關(guān)裝置的電壓，進行開關(guān)串聯(lián)數(shù)與驅(qū)動效率的可靠性運行，是目前快速機械開關(guān)應(yīng)重點解決的問題。從快速開關(guān)結(jié)構(gòu)方面進行分析，因為動作速度高、過載大，會產(chǎn)生較大的沖擊和影響。通過測量分析，傳動桿與分閘緩沖器接觸時，傳動桿會瞬間受到千兆級別的沖擊力作用，這是材料損壞的極限狀態(tài)。這樣的情況下，對材料的強度、傳動系統(tǒng)設(shè)計方案、調(diào)試等方面都有較高的要求。此外，也會要求合閘緩沖部件達到較高的要求。

3.5 電磁兼容設(shè)計

因為高壓直流斷路器主要是采用一/二次融合性的結(jié)構(gòu)部件，其內(nèi)部包含的結(jié)構(gòu)部分比較多，要經(jīng)過大量的檢測、處理、計算等功能運行，所以對于電磁兼容性有著較高的要求。在電網(wǎng)的運行中，已經(jīng)存在的由于電磁兼容設(shè)計不當(dāng)而出現(xiàn)的誤動作情況，但是當(dāng)前的研究還有很大的局限性，無法全面推廣應(yīng)用。

3.6 等效試驗

斷路器正式開啟前，技術(shù)人員根據(jù)實際運行需要開展等效校核，滿足工作能力和各項參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但是當(dāng)前的高壓直流斷路器試驗方法還比較落后，世界上也沒有提出準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。組建高水平的國際化組織，以高壓直流斷路器展開進行研究，考慮到核心內(nèi)容的要求，并對系統(tǒng)進行試驗分析，但是目前在學(xué)術(shù)界并未有統(tǒng)一的認(rèn)識。從20 世紀(jì)90 年代開始，我國的社會各界對研究重視度不斷提高，尤其是高壓斷路器方面的研究，以期提升研究水平。目前在研究中，主攻方向就是機械式高壓直流斷路器。隨著技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，這一方面的研究不斷的深入，并且與混合式直流斷路器試驗考核同時應(yīng)用。有研究學(xué)者在文獻中指出了參考值試驗方法，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對于電壓等級較高的直流斷路器系統(tǒng)，對開斷功能的直接試驗容量要求是比較高的，應(yīng)對多種方案進行對比分析。

3.7 故障快速檢測方法

直流電網(wǎng)故障能夠立即檢測確定，掌握故障發(fā)生的情況，分析故障保護方面的效果。以某直流電網(wǎng)進行分析，了解到直流過電壓、斷路器的運行情況，總結(jié)出故障發(fā)生之下的電流、電壓信號的特點，并在故障發(fā)生之后能夠快速的獲取相關(guān)的信息，快速的分析判定各項干擾性因素，然后利用信號采集系統(tǒng)、運算方式以確定相應(yīng)的保護方案，提出保護性的措施，進而確定了保護出口時間為1.2 ms，系統(tǒng)有雷擊保護功能以及故障確定功能，同時還能夠耐受最大300 Ω 的故障過渡電阻與20 dB 干擾信號。經(jīng)過試驗分析發(fā)現(xiàn)，對不同直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用，提高系統(tǒng)運行效率與質(zhì)量。

3.8 高壓直流電路器設(shè)計運行

分析了解目前的電網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)方面，直流斷路器在設(shè)計時，應(yīng)遵循某些規(guī)定和要求，從而有效地隔離故障問題，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。但是因為直流電網(wǎng)較之交流電網(wǎng)來說，經(jīng)驗不足、運行效果差，尤其是故障特征、故障表現(xiàn)了解不夠深入，目前還是停留在數(shù)據(jù)仿真方面，所以認(rèn)識度比較差，應(yīng)考慮到具體情況，進行深入研究與分析。

4 結(jié)論

1）從技術(shù)角度出發(fā)，應(yīng)合理使用相關(guān)工具。這里所說的工具主要是指基礎(chǔ)性的配件，同時也包含算法、檢測等，以滿足在實際工作的需要。

2）對直流斷路器最初的需求是在20 世紀(jì)60 年代提出的，但是并沒有廣泛的應(yīng)用到電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，實際應(yīng)用效果較差。形成這一局面的主要原因是單元技術(shù)（工具）方面的限制，造成其無法有效的應(yīng)用。從這些單元技術(shù)發(fā)展的實際情況分析，技術(shù)水平的不斷發(fā)展，可以有效的促進直流斷路器系統(tǒng)的發(fā)展，符合目前應(yīng)用的需要。

3）由于受到需求方面的影響，我國在百千伏級直流電路器研究方面取得了一定的成績，目前是世界上的引領(lǐng)者。電網(wǎng)需求牽引設(shè)備的發(fā)展，系統(tǒng)水平日益提高，高壓直流斷路器的作用也日益顯現(xiàn)。