為降低直流電網中故障電流峰值大小,基于一種無弧分斷高壓直流斷路器,首先分析了避雷器的保護原理以及快速機械開關的分斷原理;然后針對快速機械開關分斷時間較長的問題,提出了一種避雷器分步投入分斷方法,在快速機械開關分斷達到相應耐壓要求后立即投入相應數量避雷器,從而降低了高壓直流斷路器故障電流峰值大小,減小了系統中關鍵設備所受的電流應力,并減少了避雷器吸收的能量及其受到的沖擊電流熱效應;最后通過PSCAD/EMTDC仿真分析,驗證了該分斷方法的有效性。

我國地域能源資源分布和經濟發展的不均衡使得跨區域長距離輸電勢在必行[1-2]。高壓直流輸電具有線損低、運行穩定、非同步聯網、可控性好等優點[3-5],此外,大規模可再生能源并網對于傳統電網的消納能力提出了較大挑戰,而基于常規直流和柔性直流的直流電網技術是該問題的一種有效解決手段[6-7]。

直流電網能夠實現多電源供電和多落點受電,且其換流站數量少、控制靈活、冗余較多、可靠性高,是未來電網的發展方向之一[8-9]。然而,直流電網響應時間常數小,故障響應要求較高,因此,直流電網保護技術是其當前發展面臨的主要挑戰之一[10-13]。高壓直流斷路器的配置對直流電網保護策略具有重要影響,是直流電網保護的關鍵設備[14-17]。在直流側發生短路故障后,故障電流的峰值越大,直流電網中的關鍵設備受到的電流沖擊便越大,直流斷路器中絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的應力要求就越高,避雷器吸收能量也越多,進而影響到高壓直流斷路器的參數設計及成本。因此,降低短路電流峰值大小是高壓直流斷路器快速分斷要實現的重要目標之一。

高壓直流斷路器主要分為機械式直流斷路器、全固態直流斷路器及混合式直流斷路器[18-21],其中,混合式直流斷路器綜合了前2者的優點,分斷速度較快且通態損耗低,具有良好的應用前景[22]。ABB公司提出一種基于IGBT串聯和快速機械開關（FSM）的混合式高壓直流斷路器拓撲,實現了FSM的無弧分斷[21],且于2012年完成了80kV/2.6kA（額定電壓／額定開斷電流）樣機試驗,故障響應時間為5ms,最大開斷電流達9kA。國內方面,全球能源互聯網研究院提出一種級聯全橋高壓直流斷路器,實現了故障電流的軟開斷,降低了電力電子器件的均壓難度,并于2015年完成了200kV的樣機試驗,其故障響應時間達3ms,最大可開斷15kA故障電流[23]。

雖然目前已經提出一種能夠實現無弧分斷的混合式直流斷路器,但FSM的分斷時間依然很大程度上制約了其故障響應速度,短路故障電流峰值依然較高。本文基于能夠實現無弧分斷的高壓直流斷路器,首先分析了短路故障下避雷器保護以及FSM的分斷原理,隨后針對FSM分斷時間較長的問題,提出一種高壓直流斷路器的避雷器分步投入分斷方法,在保證FSM分斷達到相應耐壓要求的情況下分步投入相應組數的避雷器,提前形成反電勢。最后通過PSCAD/EMTDC仿真分析,驗證了該分斷方法能夠降低高壓直流斷路器分斷過程中故障電流峰值的大小,加快了分斷速度,減少了該過程中避雷器的吸收能量及沖擊電流熱效應。

1 高壓直流斷路器拓撲及分斷原理

為快速分斷直流故障電流、減小故障電流峰值大小,目前國內外已相繼提出多種直流斷路器拓撲。無弧分斷混合式高壓直流斷路器拓撲如圖1所示,本文以四分段高壓直流斷路器為例,該直流斷路器主要包括并聯的機械支路、主支路以及能量吸收支路。其中,機械支路包括串聯的機械開關K以及IGBT開關Tm;主支路包括依次串聯的IGBT開關閥組T1、T2、T3、T4,每組開關由多個IGBT串聯而成;能量吸收支路由多組避雷器串聯而成,每組避雷器由多個避雷器并聯而成。

當系統正常運行時,機械支路與主支路同時導通,由于機械支路的導通電阻比主支路電阻小很多,因此直流電流主要從機械支路流過,運行損耗較小。

在直流側發生短路故障后,直流電流將迅速增大,直流斷路器接收到保護信號后迅速啟動分斷。該分斷過程可分為以下3個部分：

1）機械支路的IGBT開關Tm迅速關斷,故障電流向主支路轉移并持續增大,該過程約耗幾百μs的時間。

2）在機械支路電流降為0之后,機械開關K啟動分斷,避免了因在大電流下分斷而產生電弧,實現了機械開斷的無弧分斷,加快了直流斷路器分斷速度,延長了機械開關使用壽命。

3）在機械開關K分斷達到耐壓要求后,T1、T2、T3、T4同時關斷,故障電流迅速轉移至能量吸收支路,避雷器投入形成反電勢并吸收直流系統中感性器件存儲的能量,直流電流逐漸降為0,完成分斷。

2 避雷器分步投入分斷方法

2.1氧化鋅避雷器保護及能量吸收原理

氧化鋅避雷器具有優異的非線性伏安特性,在直流電網發生故障后,將多組避雷器按次序投入能夠形成相應大小的反電勢。為簡化分析,假設換流站輸出直流電壓為一恒直流電壓源,直流負載為一等效直流電阻Req,系統電抗為Ldc,設直流系統發生對地短路故障,則直流側短路故障如圖2所示。

直流側短路故障發生后,故障電流為

idc=IdcN+1Ldc∫Udcdtidc=IdcN+1Ldc∫Udcdt(1)

式中：IdcN是直流系統正常運行時的電流;Udc是直流系統等值電壓。

由式(1)可知,故障發生后,直流側電流迅速上升,系統電抗器吸收能量。由于故障后等值電阻非常小,電抗器吸收的能量近似等于恒壓源提供的能量。

圖1混合式直流斷路器

圖2直流斷路器系統運行簡化圖

避雷器投入后故障電流的計算式為

idc=IdcN+1Ldc∫(Udc n(t)Uvar)dtidc=IdcN+1Ldc∫(Udc n(t)Uvar)dt(2)

式中：n(t)為關斷的IGBT閥組數,其值為0~4之間的整數;Uvar為1組避雷器投入所形成的反電勢值,該值在分斷過程中近似為定值。

以故障發生時刻為初始時刻,則4組避雷器投入時刻t4的故障電流大小為

I4=IdcN+UdcLdct4 UvarLdc(Δt1+2Δt2+3Δt3)I4=IdcN+UdcLdct4 UvarLdc(Δt1+2Δt2+3Δt3)(3)

式中,Δti為投入第i組避雷器的時長。

由式(3)可知,分斷過程中,避雷器投入越早,t4時刻的故障電流越小。4組避雷器投入時刻至故障電流降為0所用時間為

Δt4=LdcI44Uvar UdcΔt4=LdcI44Uvar Udc(4)

由于4組避雷器投入時刻即FSM達到耐壓要求時刻,因此對于特定直流斷路器t4為定值。由式(2)、(3)、(4)可知,在系統參數一定的情況下,避雷器投入能夠形成反電勢,降低故障電流大小。且分斷過程中避雷器投入越早,故障電流峰值越小,系統中設備所受沖擊越小,直流斷路器完全分斷所用時間越短。

避雷器投入過程中吸收系統電源以及感性元件釋放的能量。由于電抗器釋放的能量為系統正常運行時存儲的能量與故障發生后從恒壓源吸收的能量之和,則分斷過程中避雷器吸收的總能量為故障后恒壓源提供的能量與正常運行時電抗器存儲的能量之和。其中,系統正常運行時,電抗器存儲的能量為

EL=12LdcI2dcNEL=12LdcIdcN2(5)

由式(5)可知,在系統參數一定的情況下,電抗器正常運行時存儲的能量一定。系統恒壓源提供的能量為

EU=∫UdcidcdtEU=∫Udcidcdt(6)

則故障發生至4組避雷器投入前,系統恒壓源提供的能量為

EU1=UdcIdcNt4+U2dc2Ldct24 U2dcLdc∑i=13iΔt2iEU1=UdcIdcNt4+Udc22Ldct42 Udc2Ldc∑i=13iΔti2(7)

將式(2)與式(4)代入式(6)可得,4組避雷器投入后系統恒壓源提供的能量為

EU2=LdcUdcI242(4Uvar Udc)EU2=LdcUdcI422(4Uvar Udc)(8)

則分斷過程中,避雷器吸收的總能量為

Emov=EL+EU1+EU2Emov=EL+EU1+EU2(9)

由式(9)可知,在系統參數一定的情況下,分斷過程中避雷器的投入時間直接影響到避雷器吸收能量。且避雷器投入越早,避雷器吸收的能量和受到的沖擊電流的熱效應越小,有利于延長避雷器使用壽命。

2.2 FSM分斷原理

由于IGBT開斷迅速,直流斷路器故障響應時間主要集中于FSM分斷。為加快分斷速度,FSM需要盡量短的響應及剛分時間以及足夠大的分閘初速度。基于電磁斥力機構的快速真空開關具有結構簡單,分、合閘速度快的特點,適用于響應要求高的混合式高壓直流斷路器[24-25]。FSM分斷的目的是滿足避雷器投入時的耐壓要求,因此可以采用避雷器分步投入方法,在FSM耐壓達到相應要求時立即投入相應組數的避雷器,從而降低分斷電流,減少避雷器吸收的能量。

在其他因素相同的情況下,擊穿電壓隨著電極距離的增加而增大。電磁斥力結構采用真空介質,而微粒引起電擊穿是真空間隙電擊穿的主要原因之一,其擊穿電壓Up與間隙距離s的關系為

Up=k1s√Up=k1s(10)

式中,k1為常數,其取值范圍由試驗方法確定為1.2×105~2.5×105V/cm1/2。

考慮到FSM的耐壓水平留有裕度,則擊穿電壓與耐壓水平U的關系為

Up=k2UUp=k2U(11)

式中,k2為<1的正常數。

將式(11)代入式(10),寫成一般形式為

U=k1k2sαU=k1k2sα(12)

式中,α的取值范圍為0.5~1,其大小與間隙長度有關,間隙短,α值偏大,其原因是當間隙較小時,場致發射同樣可能引起擊穿。

電磁斥力機構的分斷主要分為斥力產生過程、加速過程以及緩沖過程,其中斥力產生過程時間很短,在故障電流轉移過程中即可完成,而緩沖過程主要作用是消耗其動能,減少對FSM的損傷,對分析影響均較小;加速過程決定了FSM的分斷速度及耐壓水平,對分斷過程影響最大,是分析的重點。然而加速過程中分斷速度受諸多因素影響,且都非常復雜,很難通過理論計算直接得到精確的數據。為簡化分析,假設快速開關在分閘過程中是勻加速的,因此快速開關的分閘行程s與時間t的關系為

式中,k3為常數,其值為加速度值的1/2。

將式(13)代入式(12),可得機械開關耐壓水平與開斷時間的關系為

式中k為系數。當真空間隙變大,系數α趨向于0.5,且電磁斥力機構的作用力減小,速度減慢,因此單靠加大間隙距離來大幅度提升耐壓水平十分困難。當電壓等級較高時,通常需要串聯多個FSM。因此直流斷路器中機械開關的總耐壓水平UtotUtot與時間的關系為

Utot=nkt2αUtot=nkt2α(15)

然而FSM串聯個數增加會導致開斷可靠性降低,因此實際工程中在保證開斷速度的同時應盡量減少FSM的串聯個數。

2.3 避雷器分步投入分斷方法

根據避雷器的保護原理以及FSM的分斷性能,本文提出一種避雷器分步投入無弧分斷方法,以4組避雷器的混合式高壓直流斷路器為例,FSM需要達到的總耐壓水平為4Uvar,設NT為正整數,其值為1、2、3、4,則具體分斷過程如下：

1）IGBT開關Tm迅速關斷,短路電流向主支路轉移并持續增大。

2）在機械支路電流變為0之后,機械開關K分斷。

3）在機械開關K的分斷耐壓水平達到NTUvar后,立即關斷主支路NT組固態開關,投入并聯的避雷器。

4）當機械開關K分斷耐壓水平達到4Uvar后,主支路完全關斷,避雷器全部投入并形成足夠大反電勢,短路電流逐漸降為0,完成分斷。

該分斷過程中,由于各組避雷器投入時間不完全相同,因此避雷器吸收能量也各有差異。為了最大程度利用避雷器容量,避雷器的投入次序需盡量滿足吸收能量平衡,可利用排序法和固定時長法。其中,排序法需將避雷器吸收能量進行排序,并將吸收能量最少的NT組避雷器投入;固定時長法可預先計算避雷器吸收的能量,并以此來預設各避雷器的投入次序和時間,以達到能量平衡的目的。

3 仿真及算例分析

.典型200kV混合式高壓直流斷路器的簡化系統模型如圖2所示,其參數如表1所示。其中,4組避雷器額定電壓之和為系統電壓200kV,其保護水平應略大于系統電壓的1.5倍,該仿真中耐壓最大值約為350kV;由于選定耐壓水平為50kV的FSM,其個數為7,計入超程距離后,FSM的總耐壓水平最終達370kV。在該簡化模型中分別對高壓直流斷路器常規分斷和避雷器分步投入分斷進行仿真分析。

3.1 常規分斷

令直流系統于1s處發生直流側短路故障,高壓直流斷路器接收分斷信號后進行常規分斷,則分斷過程中故障電流、開關電壓以及4組避雷器吸收總能量如圖3所示,其中,Imec為機械支路電流,Imain為主支路與能量吸收支路電流之和,Ifau為動作電流參考值,Umec為機械開關耐壓水平,Ub為直流斷路器兩端電壓。因此,直流側電流為Imec與Imain之和。

由圖3(a)可知,短路故障后約0.7ms后機械支路電流轉移至主支路,機械開關開始分斷,其中,直流斷路器故障判斷及傳感器延時為0.5ms,IGBT關斷及電流轉移時間為0.2ms,2ms之后機械開關分斷達到耐壓要求,主支路IGBT關斷,電流轉移至能量吸收回路,電流逐漸降為0,完成分斷。

 

表1直流斷路器及系統參數

 

由圖3(b)可知,電流轉移至主支路后,由于主支路IGBT電阻變大以及電流上升,直流斷路器兩端電壓隨之逐漸增大,在主支路IGBT完全關斷之后,避雷器投入迅速形成反電勢,直流斷路器兩端電壓約達到350kV并緩慢下降,在避雷器將系統中電抗器等儲能裝置釋放的能量吸收之后,直流斷路器兩端電壓迅速下降并嵌位于200kV左右。

由圖3(c)可知,4組避雷器吸收能量之和約為9097kJ。

直流斷路器兩端電壓由機械支路中FSM與IGBT共同承受,FSM最初分斷時,直流斷路器兩端電壓主要由機械支路IGBT承受;其后,電壓主要施加于FSM兩端。從圖3中可知,直流斷路器兩端電壓在FSM耐壓水平內,該過程中故障電流峰值約為12.42kA。

3.2避雷器分步投入分斷

 

圖3常規分斷

 

從系統參數可知,FSM在2ms需要達到的耐壓水平為350kV。由于主支路具有導通電阻,直流斷路器兩端在投入第1組避雷器前具有初始電壓。根據式(14),分別在FSM開始分斷之后的0.79、1.24、1.64、2ms時投入1組、2組、3組和4組避雷器。則分斷過程中直流電流、直流斷路器兩端電壓以及4組避雷器吸收總能量如圖4所示。

從圖4中可知,由于主支路具有導通電阻,在投入第1組避雷器前機械開關兩端電壓約為9.5kV,直流斷路器兩端電壓分別在約1.0016、1.0021、1.0025和1.0028s處迅速增大為95、180、265、350kV,均在FSM耐壓水平之內。該分斷過程中,短路電流峰值約為8.97kA,4組避雷器吸收能量之和約為6154kJ。

根據圖3和圖4,直流側故障下,常規分斷方法與避雷器分步投入分斷方法的分斷性能比較如表2所示。

 

表2 2種分斷方法的性能比較

 

 

圖4避雷器分步投入分斷

 

由仿真分析和比較可知,避雷器分步投入分斷法在滿足FSM耐壓要求的情況下,降低了故障電流峰值,加快了分斷速度,降低了直流斷路器中IGBT的應力要求,減小了故障電流對系統中其他關鍵設備的電流沖擊,同時減少了避雷器吸收能量以及沖擊電流熱效應,延長了避雷器使用壽命。

4 結論

1）本文首先對直流系統的直流側短路故障以及無弧分斷高壓直流斷路器分斷原理進行了分析,結果表明,在直流側短路故障發生后,避雷器投入時間越早,故障電流峰值越小,避雷器吸收能量越少。

2）基于氧化鋅避雷器保護以及FSM分斷原理,進而提出了高壓直流斷路器的避雷器分步投入分斷方法,該方法具有以下特點：

（1）在滿足FSM耐壓要求的前提下,將各組避雷器分步投入,與常規分斷方法相比,其提前了避雷器的投入時間。

（2）降低了故障電流峰值大小,減小了直流斷路器以及系統中其他關鍵設備所受的電流應力。

（3）減少了避雷器吸收能量及沖擊電流熱效應,延長了避雷器使用壽命,提升了直流系統運行的可靠性。

作者：吳學光 王曉晨 朱永強 林暢 劉棟 王婉君