河南省高壓電器研究所有限公司 李彥如 趙新陽(yáng) 郭思遠(yuǎn)

1 引言

直流輸電技術(shù)的發(fā)展可以作為高壓直流斷路器的基礎(chǔ)，同時(shí)推動(dòng)高壓直流斷路器的基礎(chǔ)研究抬上了一個(gè)新的高度。在高壓直流斷路器的相關(guān)研究中仍然存在著一些困難和難點(diǎn)，如直流系統(tǒng)的電流沒(méi)有超過(guò)自然過(guò)零點(diǎn)，那么電弧就很難被熄滅，這種開(kāi)關(guān)時(shí)的滅弧問(wèn)題容易引發(fā)一系列使用故障等安全隱患。通過(guò)建設(shè)端柔性直流輸電系統(tǒng)能夠促進(jìn)我國(guó)高壓直流斷路技術(shù)的進(jìn)一步推廣和研究，我國(guó)通過(guò)“863”計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等渠道和手段加強(qiáng)了對(duì)高壓直流斷路器相關(guān)基礎(chǔ)的科學(xué)攻關(guān)工作，為問(wèn)題的解決提供了幫助。本文圍繞著高壓直流斷路器關(guān)鍵技術(shù)研究分析展開(kāi)論述，希望能為有關(guān)人員提供一些參考。

2 高壓直流斷路器的技術(shù)要求分析

高壓直流斷路器大多數(shù)被運(yùn)用在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中，也可以被運(yùn)用在柔性直流電網(wǎng)中。高壓直流斷路器大多數(shù)充當(dāng)故障保護(hù)的角色，對(duì)主設(shè)備進(jìn)行維護(hù)發(fā)揮著重要的作用，從系統(tǒng)的角度來(lái)分析，直流斷路器在具體運(yùn)行的過(guò)程中有一些技術(shù)方面的難關(guān)需要攻克，無(wú)論是混合式斷路器還是機(jī)械式斷路器，這些問(wèn)題都是不可逃避的。

2.1 快速保護(hù)

一般而言，柔性直流輸電系統(tǒng)具有較小的抗阻性能，出現(xiàn)短路故障就需要通過(guò)斷路器的電流快速上升來(lái)解決，一般來(lái)說(shuō)斷路器在5m/s之內(nèi)要完成故障電流的斷開(kāi)，反之快速上升的電流有可能會(huì)大于直流斷路器的開(kāi)斷能力，也會(huì)造成直流斷路器出現(xiàn)故障和問(wèn)題。除此之外，以換流閥為代表的一系列設(shè)備也需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)承受電流的沖擊，造成運(yùn)營(yíng)成本直線上升[1]。

2.2 重合閥的相關(guān)功能

比如，我國(guó)“張北工程”就是一個(gè)明顯的例子，其采用的是架空線柔性直流電網(wǎng)，在斷路器的啟用過(guò)程之中還具備核查快速功能，能夠切斷線路故障，維護(hù)電網(wǎng)的整體運(yùn)行。如果斷路器具備重復(fù)找的功能，那么在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須考慮故障的時(shí)間，特別是要考慮到永久性故障的有關(guān)問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)保護(hù)換流閥等不同的設(shè)備時(shí)，需要考慮到斷路器的自身能力情況，在運(yùn)用斷路器之后進(jìn)行電流的分段，這一情況有反應(yīng)速度和反應(yīng)時(shí)間的相關(guān)要求，斷路器第一次開(kāi)斷和第二次開(kāi)斷都要考慮到雙重?fù)Q流閥是否能夠承受得住兩次電流沖擊，提高開(kāi)斷的速度。此外有關(guān)設(shè)計(jì)人員還要加強(qiáng)對(duì)重合閘能量吸收方面的顧慮，如果僅僅考慮單次開(kāi)段有可能會(huì)造成危險(xiǎn)性增加，這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致斷路器在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在一系列的問(wèn)題和困難[2]。

2.3 故障檢測(cè)與快速識(shí)別

對(duì)于常規(guī)的電流交流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，開(kāi)段時(shí)間也有一定的限制，但是柔直系統(tǒng)對(duì)開(kāi)段時(shí)間的要求更為苛刻與嚴(yán)格，同時(shí)若要加強(qiáng)選擇性故障保護(hù)，有關(guān)人員需要加強(qiáng)對(duì)不同分支線路的斷路器時(shí)間設(shè)定。在這一理念的影響之下，交流斷路器可以采用繼電保護(hù)的集中式形式對(duì)動(dòng)作參數(shù)發(fā)出命令，控制分合閘的具體操作和動(dòng)作的順序。站在直流系統(tǒng)的角度而言，故障檢測(cè)也有快捷性的要求，也就是說(shuō)如果使用交流系統(tǒng)控制方式，那么相關(guān)斷流器的動(dòng)作則需要利用故障檢測(cè)來(lái)判斷機(jī)電保護(hù)系統(tǒng)是否發(fā)出了動(dòng)作指定，該命令傳輸情況如何，是否傳至直流電路器，還要觀察直流斷路器動(dòng)作，這一系列環(huán)節(jié)都需要加強(qiáng)把握[3]。

在氣墊保護(hù)系統(tǒng)傳輸命令下達(dá)任務(wù)的過(guò)程之中仍然需要耗費(fèi)一定量的時(shí)間，這一階段的時(shí)間可能會(huì)造成斷路器動(dòng)作遲緩，時(shí)間延遲，因此研發(fā)人員要采用更加有效的直流電網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備的保護(hù)，還要確?？焖偾袛鄶嗦菲?，整個(gè)過(guò)程都要節(jié)約時(shí)間，這樣才能具備故障檢測(cè)和識(shí)別功能的時(shí)效性。從這個(gè)視角上來(lái)看，直流斷路器和常規(guī)的交流斷路器是不同的，并不是一個(gè)較為單純的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)裝置，而是一種相互融合具有獨(dú)立保護(hù)功能的完善系統(tǒng)。

3 高壓直流斷路器故障解決分析

3.1 拒分閘的故障

高壓直流斷路器在正常運(yùn)行的過(guò)程中有可能會(huì)發(fā)生驅(qū)動(dòng)故障的現(xiàn)象，造成越級(jí)跳閘導(dǎo)致擴(kuò)大停電范圍，也會(huì)給電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞和威脅，引發(fā)大面積的工廠、民居停電事故，損傷電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。由此可見(jiàn)，在拒分閘故障發(fā)生的時(shí)候，首先有關(guān)工作人員要對(duì)跳閘回路進(jìn)行仔細(xì)查看，檢查跳閘回路之中是否存在損壞的部分，之后還要檢查電壓是否過(guò)低，如果電壓值正常，鐵芯卻無(wú)法正常的跳動(dòng)，那么可以斷定是電氣系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了一系列故障，又比如跳閘鐵芯運(yùn)行狀況良好但是斷路器拒動(dòng)，那就有可能是機(jī)械組成部分發(fā)生的問(wèn)題。

如果是鐵芯卡頓又或者是線圈出現(xiàn)問(wèn)題，電源的部位卻沒(méi)有損壞，那么就可以判斷機(jī)械和電氣設(shè)備二者同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，在具體的處理過(guò)程中，面對(duì)電氣方面的故障，工作人員可以集中檢查跳閘回路的元件接觸性，同時(shí)判斷回路部位的熔斷器是否能正常工作，是否出現(xiàn)老化短路現(xiàn)象，如果是機(jī)械方面的故障，工作人員可以判斷分閘閥是否出現(xiàn)卡頓的問(wèn)題，彈簧是否失靈，找到相應(yīng)的部位進(jìn)行維修和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的機(jī)器更新[4]。

3.2 拒合閘發(fā)生的故障

發(fā)生拒合閘的故障也是由多方面因素導(dǎo)致的，大體上可以分為電氣故障和機(jī)械發(fā)生的故障，這一點(diǎn)和拒分閘故障產(chǎn)生的類(lèi)型有一些相似，有關(guān)工作人員要加強(qiáng)對(duì)合閘電源和控制電路的檢測(cè)，確保電氣回路沒(méi)有問(wèn)題，與此同時(shí)，工作人員還要對(duì)鐵芯的異常響動(dòng)情況進(jìn)行判斷，檢查機(jī)械有無(wú)發(fā)生問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)在電氣故障解決的過(guò)程之中需要對(duì)控制電源的元件進(jìn)行查看，判斷電源的控制回路是否存在異常，如果發(fā)生了機(jī)械故障，可能是由于合閘鐵芯出現(xiàn)了卡頓導(dǎo)致整體動(dòng)力下降，還有可能是由于分閘機(jī)構(gòu)歸位不及時(shí)導(dǎo)致的。除此之外還有一些原因是由于合閘彈簧沒(méi)有能夠及時(shí)儲(chǔ)能，行程不合適。

4 高壓直流斷路器關(guān)鍵技術(shù)分析

為解決上述問(wèn)題，迎合較為苛刻的使用要求，有關(guān)研發(fā)人員要加強(qiáng)對(duì)直流斷路器在設(shè)計(jì)方面和研制方面的深入探究，目前我國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多個(gè)電壓等級(jí)系統(tǒng)，能滿(mǎn)足直流斷路器的要求，但必須加強(qiáng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及性能的完善，給予相關(guān)問(wèn)題以關(guān)注。

4.1 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)

ABB公司首先提出了基本拓?fù)湫问降幕旌鲜街绷鲾嗦菲?，并在較大范圍得到了認(rèn)可與推廣。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，我國(guó)提出了具有中國(guó)特色的新型拓?fù)溲芯糠桨?，?lián)合研究院已經(jīng)設(shè)計(jì)了全橋子拓?fù)淠K，研制出了200kW的混合式高壓直流斷路器，并且取得了成功的運(yùn)用效果，尤其是在柔直系統(tǒng)中的運(yùn)用取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

以上實(shí)踐的成功證明了拓?fù)鋬?yōu)化的技術(shù)具有光明的發(fā)展前景與可行性，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要較多的串聯(lián)，目前IGBT高參數(shù)售價(jià)較高，容易提高混合式直流斷路器的使用成本。除此之外，在通流之路中的IGBT在工作中需要長(zhǎng)期耗損電流，雖然數(shù)量不多也會(huì)造成通態(tài)損耗。因此，需要通過(guò)水冷設(shè)計(jì)來(lái)維持其正常運(yùn)行，相對(duì)手續(xù)比較煩瑣，且斷路器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和構(gòu)架也較為復(fù)雜，為了降低拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化成本，簡(jiǎn)化運(yùn)用手續(xù)，研發(fā)人員又提出了一系列具有優(yōu)化性質(zhì)的拓?fù)浞桨?，下面予以介紹：

第一種是喬氏半導(dǎo)體組件拓?fù)?。這種拓?fù)浞桨甘窃谥攸c(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持之下的新嘗試，聯(lián)合研究院研制出了新型橋式半導(dǎo)體組件拓?fù)洌ㄟ^(guò)橋式結(jié)構(gòu)的利用能夠減少I(mǎi)GBT的使用成本[5]。

第二種是耦合性，負(fù)壓原理拓?fù)溥@種技術(shù)是由清華大學(xué)參與和西安交通大學(xué)技術(shù)支持共同研制出的直流斷路器拓?fù)洌淇梢岳秘?fù)壓耦合技術(shù)，讓開(kāi)斷時(shí)的電流從通路向開(kāi)斷支路轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計(jì)能夠?qū)ν髦返倪\(yùn)行步驟進(jìn)行簡(jiǎn)化，全面提升了電流轉(zhuǎn)移的成功效率，但是轉(zhuǎn)移的過(guò)程可能存在一定的弧度，也會(huì)在某種程度上加大通流之路的開(kāi)斷壓力。

第三種是限流能力拓?fù)洹Ｔ撓到y(tǒng)抗阻能力比較小，故障電流上升速度也比較快，有些研究人員可以把直流斷路器和故障限流器相互結(jié)合，這是一種全新的拓?fù)渌悸罚霉收舷蘖髌鱽?lái)對(duì)故障電流的移動(dòng)速度進(jìn)行限制，有效降低開(kāi)斷元件的能力要求，同時(shí)也能夠降低對(duì)吸能回路的要求。在限流器的設(shè)計(jì)方面，這種限流能力的拓?fù)渌枷刖哂休^強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)用價(jià)值，同時(shí)運(yùn)營(yíng)的成本比較低，也方便維護(hù)，可以采用限流器和直流斷路器共同使用的方式作為主要的運(yùn)行框架。

第四種類(lèi)型屬于耦合式高壓直流斷路器。這種以拓?fù)浼夹g(shù)為基礎(chǔ)的耦合型斷路器在20世紀(jì)就已經(jīng)在使用了，其運(yùn)用空間和運(yùn)用領(lǐng)域具有一定的特殊性。耦合式機(jī)械型高壓斷路器可以在突破方案的相互結(jié)合中降低電壓的等級(jí)范圍，使用中性線轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)降低對(duì)動(dòng)作時(shí)間的延長(zhǎng)。該項(xiàng)突破技術(shù)在大范圍之內(nèi)得到了推廣，如果把原始拓?fù)湎蚋邏旱燃?jí)拓?fù)滢D(zhuǎn)換，那么就必須解決一系列技術(shù)難點(diǎn)，拓寬快速動(dòng)作斷路器的應(yīng)用范圍和場(chǎng)合，同時(shí)還要解決電容器高電位充電等難題。這種耦合型的高壓直流斷路器拓?fù)浞桨赣捎诩夹g(shù)上的難點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有得到普遍的推廣和認(rèn)可，直到2016年，我國(guó)華中科技大學(xué)借助拓?fù)漶詈献儔浩靼演o助電路轉(zhuǎn)移到落地平臺(tái)，這樣就能在一定程度上減小研究的難度。這種拓?fù)浞桨冈谀承┰圏c(diǎn)順利的運(yùn)行證明了耦合型機(jī)械高壓直流斷路器方案的可行性。

第五種類(lèi)型是組合型直流斷路器拓?fù)浞桨浮＝M合型的直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指的是根據(jù)直流電網(wǎng)的構(gòu)成要素，把多種直流斷路器的吸能支路和開(kāi)關(guān)支路共同使用，把故障之間進(jìn)行分隔，同時(shí)運(yùn)用其重合能力讓直流電網(wǎng)的運(yùn)用更具有經(jīng)濟(jì)性，節(jié)省成本。在這一循環(huán)中，直流斷路器不能表現(xiàn)為相對(duì)獨(dú)立的電氣設(shè)備，反而成為有所依托的直流電網(wǎng)深度耦合集合。雖然這種方案在拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)方面作出了大量的優(yōu)化與探索，但是這種組合型的拓?fù)浞桨冈趯?shí)際運(yùn)用的過(guò)程中仍然有一些特點(diǎn)和問(wèn)題需要去適應(yīng)并解決，因此有關(guān)研發(fā)人員要在進(jìn)一步研究拓?fù)浞桨附Y(jié)構(gòu)和條件的基礎(chǔ)之上對(duì)斷路器的實(shí)際工作流程展開(kāi)進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2 隔離供能技術(shù)

高壓直流斷路器不僅是簡(jiǎn)單的開(kāi)斷裝置，還是一種相互融合，具有完善功能的系統(tǒng)設(shè)備，其內(nèi)部組成框架包括信號(hào)檢測(cè)、運(yùn)算分析器件、驅(qū)動(dòng)部件等不同的功能監(jiān)測(cè)部件，所有的部件都有供電和功能的需求。以混合式高壓直流斷路器為例，驅(qū)動(dòng)需要向外界索取能量，同時(shí)為了提高動(dòng)作的速度和反應(yīng)程度，在通流之路的開(kāi)關(guān)設(shè)備中要采用渦流斥力機(jī)構(gòu)加以輔助，同時(shí)也需要不斷的外界能量供給這些能量，需要通過(guò)隔離裝置來(lái)提供功能的部件數(shù)量比較多，同時(shí)電負(fù)荷和電需求量也較大，那么變壓器要提高其自身效率。與此同時(shí)，功能部件要處在不同的電位和不同電壓的工作平臺(tái)之上，供能終端要提高電壓隔離的要求。如果工作電壓的等級(jí)不斷提高，那么就會(huì)讓功能變壓器的絕緣和效率之間存在著矛盾。

4.3 快速機(jī)械開(kāi)關(guān)技術(shù)

為提高高壓直流斷路器的快速動(dòng)作效率，開(kāi)關(guān)裝置會(huì)采用渦流斥力系統(tǒng)，這種系統(tǒng)要具備5m/s的分閘能力，如果電壓等級(jí)比較高，建議采用串聯(lián)多臺(tái)裝置的方法加以適應(yīng)?？焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)技術(shù)以電磁斥力機(jī)構(gòu)工作原理為基礎(chǔ)，確定開(kāi)距操縱的幅度大小。如果開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)具比較大，那么就會(huì)顯著降低電磁斥力的效果，反之開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)距比較小，就必須要用多數(shù)量、較為復(fù)雜的串聯(lián)開(kāi)關(guān)裝置并行使用，相互配合才能協(xié)調(diào)開(kāi)關(guān)裝置的電壓數(shù)值，讓開(kāi)關(guān)串聯(lián)數(shù)和驅(qū)動(dòng)效率之間能夠相互配合，這也是當(dāng)前快速機(jī)械開(kāi)關(guān)技術(shù)在推廣過(guò)程中需要加以解決的問(wèn)題之一。

綜上所述，高壓直流斷路器關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)研究要加強(qiáng)問(wèn)題的解決和方案的優(yōu)化，有關(guān)工作人員要提高相關(guān)技術(shù)的研發(fā)力度，注重高壓直流斷路器的故障問(wèn)題解決，通過(guò)方案的優(yōu)化來(lái)提高高壓直流斷路器的運(yùn)行效率。