第3章 高壓直流開斷技術(shù)

3.1 高壓直流斷路器發(fā)展概述

3.1.1 中國直流輸電工程建設(shè)

高壓直流輸電技術(shù)起步于20世紀50年代，而突破性的發(fā)展是在80年代，進入21世紀后，更是備受關(guān)注。近年來，高壓直流輸電技術(shù)在我國發(fā)展迅速，已成為遠距離輸送電能的發(fā)展方向。我國現(xiàn)有多條高壓直流輸電工程和柔性直流輸電工程，并計劃建設(shè)多條直流輸電工程，直流斷路器作為換流站直流場的主要開關(guān)設(shè)備必不可少。我國直流輸電技術(shù)在20世紀80年代得到重要發(fā)展，建成了代表當時世界水平的葛洲壩—上海±500kV直流輸電工程。隨后我國在發(fā)展直流輸電方面的步伐不斷加快，到2011年已經(jīng)有17個直流工程輸送超過4000萬kW的電力。當前我國直流輸電工程的運行規(guī)模和建設(shè)規(guī)模都是世界第一。特別是在2010年和2011年相繼建成投產(chǎn)了±800kV云南—廣州特高壓直流工程和±800kV向家壩—上海特高壓直流工程，使我國直流輸電技術(shù)達到世界先進水平乃至領(lǐng)先于世界。目前直流輸電技術(shù)的發(fā)展方興未艾，表3-1為截至2015年在中國大陸運行的、在建的和計劃的高壓直流輸電工程。

傳統(tǒng)高壓直流輸電的核心是相控環(huán)流器（PCC）技術(shù)，基于PCC技術(shù)的高壓直流輸電具有以下不足^[1]：①不能向小容量或無源交流系統(tǒng)供電；② 換流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)低、容量大；③ 換流器吸收較多的無功功率；④換流站投資大、占地面積大。

隨著風(fēng)力發(fā)電等新能源的開發(fā)，迫切需要將這些分散化、小型化的電能通過經(jīng)濟環(huán)保的方式輸送到電網(wǎng)中。此外孤島用電、城市擴容送電等都對現(xiàn)有的輸電模式提出了很高要求。采用電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC）和大功率可關(guān)斷電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的柔性高壓直流輸電便應(yīng)運而生^[1]。IGBT具有開關(guān)頻率高、損耗小和驅(qū)動簡單的優(yōu)點，適用于高電壓、大容量的應(yīng)用場合。柔性直流輸電技術(shù)從根本上解決了換相失敗問題，被工程界高度重視，得到了快速發(fā)展。柔性直流輸電采用電壓源換流器，換流閥為大功率可關(guān)斷電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管。柔性直流輸電相比于傳統(tǒng)的基于電流源換流站的高壓直流輸電具有設(shè)備重量輕、占地面積小、安裝和調(diào)試時間短及運行和維護費用低等特點。其優(yōu)勢如下^[2]：①可控性強，柔性直流系統(tǒng)可以快速、獨立地調(diào)控有功功率和無功功率，增強了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性；②易進行潮流反轉(zhuǎn)，柔性直流系統(tǒng)在進行潮流反轉(zhuǎn)時，不用改變電壓極性以及控制系統(tǒng)與電路拓撲結(jié)構(gòu)，僅需改變電流方向，具有更高的可靠性；③可實現(xiàn)與交流系統(tǒng)無縫銜接，柔性直流系統(tǒng)不會換相失敗，換相不依賴外部電壓，因此不僅可以給有源網(wǎng)絡(luò)供電，還可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電；④諧波大幅減少，無須大量加裝濾波設(shè)備；⑤換流站獨立性強，各換流站可獨立控制，易于實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，有助于多端直流系統(tǒng)的實現(xiàn)。

柔性直流輸電拓展了直流輸電的應(yīng)用范圍，并且以其眾多的優(yōu)勢而備受關(guān)注。由于柔性高壓直流輸電系統(tǒng)的平波電抗器值較小，部分柔性直流輸電系統(tǒng)用直流電容器平波，因此短路故障電流上升率極高。系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)電壓驟降，為了防止系統(tǒng)電壓崩潰，CIGRE大電網(wǎng)直流工作組建議柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，電壓不能低于系統(tǒng)額定電壓的80%，因此通常需要在5ms內(nèi)限制或開斷短路故障電流，防止系統(tǒng)電壓低于原系統(tǒng)額定電壓的80%^[3-7]。表3-2為截止到2017年中國已經(jīng)運行的和在建的柔性高壓直流輸電工程。

目前我國已有很多運行和在建的高壓直流輸電工程和柔性直流輸電工程。直流輸電技術(shù)雖然已經(jīng)比較成熟，但是相對于交流輸電網(wǎng)靈活、多樣的連接方式，世界上已運行的直流系統(tǒng)絕大多數(shù)仍采用兩端系統(tǒng)，其主要原因就是缺乏實用的高壓直流斷路器。直流斷路器是解決系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、提高可靠性和可控性的重要方法。若能突破直流斷路器的開斷難題，建立多端直流電網(wǎng)，則在直流輸電方面能夠有更多的益處。多端直流電網(wǎng)與點對點連接的直流輸電線路相比具有很大的優(yōu)勢，即使一條線路不在服務(wù)中，功率也可以繼續(xù)傳輸；交流/直流換流站在高壓直流輸電系統(tǒng)總成本中占據(jù)非常大的比例，如果有高壓直流斷路器，則可以減少換流站的個數(shù)。

3.1.2 高壓直流斷路器綜述

自1954年世界第一條連接哥特蘭島（Got-land）與瑞典之間的高壓直流輸電（HVDC）線路投入商業(yè)運行以來，高壓直流輸電以交流輸電不可替代的優(yōu)點，在遠距離大功率輸電、電纜輸電和交流系統(tǒng)的非同步聯(lián)絡(luò)等方面得到了廣泛應(yīng)用^[2]。近年來，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)的出現(xiàn)，更使直流輸電延伸到了近距離小容量的輸電場合。我國電力系統(tǒng)直流輸電技術(shù)發(fā)展迅速，目前已經(jīng)運行和在建的高壓直流輸電工程超過20條，電壓等級達到±1100kV；已經(jīng)運行和在建的柔性直流輸電工程超過5條，電壓等級達到±500kV。我國直流輸電主要包括超高壓/特高壓直流輸電、背靠背直流系統(tǒng)、電壓源型換流站直流輸電和直流電網(wǎng)等。直流輸電相對于交流輸電具有明顯的優(yōu)勢，直流輸電的主要優(yōu)勢如下^[1]：

1）輸送相同功率時，線路的造價低，直流輸電可以充分利用線路走廊資源，其線路走廊寬度僅為交流輸電線路的1/2左右，且送電容量大，單位走廊寬度的送電功率約為交流的4倍；

2）線路有功損耗小，直流線路沒有感抗和容抗，線路上沒有無功損耗，直流架空線路的電暈損耗小，無線電干擾小；

3）適合于海底輸電，直流電纜線路不受交流線路電容電流困擾，沒有磁感應(yīng)損耗和介質(zhì)損耗，只有芯線電阻損耗，絕緣水平相對較低；

4）不受系統(tǒng)穩(wěn)定極限的限制，若以直流線路連接兩個交流系統(tǒng)，由于直流線路沒有電抗，因而也就沒有穩(wěn)定問題，使直流輸電不受輸電距離限制；

5）直流聯(lián)網(wǎng)對電網(wǎng)間干擾小，當采用直流聯(lián)網(wǎng)方式時，能有效地隔斷各個互聯(lián)的交流同步電網(wǎng)之間的互相影響，有利于提高電能質(zhì)量，特別是當一個系統(tǒng)發(fā)生連鎖反應(yīng)故障時，可以避免和減輕對另一個系統(tǒng)的影響；

6）輸送功率的大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié)，運行可靠。

直流輸電的不足主要有：

1）換流站設(shè)備昂貴，換流裝置由大量高電壓、大電流晶閘管或IGBT電力電子器件串并聯(lián)組成，并附帶有均壓電阻器、電容器、電抗器、冷卻裝置及電子觸發(fā)板等，約占總投資的1/3；

2）換流裝置需要消耗大量的無功功率，整流器和逆變器所需的無功功率分別為有功功率的30%～50%和40%～60%；

3）換流裝置在運行中產(chǎn)生大量的諧波且過載能力較小；

4）目前高壓直流斷路器成本過高且開斷能力有限，限制了多端直流系統(tǒng)和直流電網(wǎng)的發(fā)展。

綜合直流輸電的優(yōu)缺點可以看出，相比于交流輸電，直流輸電具有明顯的優(yōu)勢，缺點主要在于換流站的成本高、損耗大及目前高壓直流斷路器的成本過高、開斷能力有限和技術(shù)不成熟。如果能有滿足直流系統(tǒng)短路電流開斷、成本較低和穩(wěn)定性好的高壓直流斷路器，將能促進直流多端系統(tǒng)和直流電網(wǎng)的發(fā)展。如果采用全直流電網(wǎng)，全部使用直流輸電、直流配電，則無須換流站，將進一步降低直流系統(tǒng)的成本和損耗。

隨著高壓直流輸電和多端柔性直流輸電系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，直流電網(wǎng)對具有短路電流開斷能力的直流斷路器有著迫切的需求^[8-10]。若能突破直流斷路器的快速開斷難題，建立多端直流電網(wǎng)，則在直流輸電方面具有頗多益處。例如在直流電網(wǎng)中，即使一條線路不在服務(wù)中，功率也可以繼續(xù)傳輸。目前直流系統(tǒng)中交流/直流換流站占了非常大的成本比例，如果直流系統(tǒng)安裝高壓直流斷路器，則可以減少換流站的個數(shù)，節(jié)約成本。圖3-1形象地顯示了四端直流電網(wǎng)安裝直流斷路器后換流站減少的情況^[9]。圖3-1左邊圖為四端點對點系統(tǒng)，右邊為四端網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。白色方塊為交流/直流換流器，黑色方塊為高壓直流斷路器。從中可以看出，直流系統(tǒng)安裝了高壓直流斷路器后，換流站的個數(shù)由左邊的12個減少為右邊的4個，顯著降低了直流系統(tǒng)的成本。

3.1.3 高壓直流斷路器的研究難點

由于直流電流無自然過零點的特性使斷口中電弧不易熄滅，因此交流斷路器不能直接應(yīng)用于開斷直流電流。尤其在高壓、特高壓直流系統(tǒng)實現(xiàn)直流電流的快速開斷更是困難，直流斷路器的成功研制是解決高壓、特高壓多端直流輸電的關(guān)鍵性技術(shù)難題。

柔性直流多端輸電系統(tǒng)的短路故障電流上升極快，當短路故障發(fā)生時，系統(tǒng)電壓將出現(xiàn)跌落，需要迅速限制短路電流上升以防止系統(tǒng)電壓進一步下降。柔性直流多端輸電系統(tǒng)換流器中的功率電力電子器件的耐受沖擊特性較差，過大的短路故障電流沖擊有可能徹底損壞電力電子器件。綜上所述，為了保證柔性直流多端輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，迫切需要安裝具有快速限制短路故障電流水平的高壓直流斷路器，以保障系統(tǒng)安全^[27]。

直流電流無自然過零點，電流和電壓連續(xù)不間斷，能量巨大，因此高能量直流電弧很難熄滅。柔性直流輸電系統(tǒng)的短路故障電流上升率極大，要求直流斷路器具有快速開斷能力，能在系統(tǒng)電壓塌陷前限制短路電流幅值。因此高壓直流斷路器的設(shè)計和實現(xiàn)難度遠高于高壓交流斷路器。研制新型的高壓直流斷路器，提高直流斷路器的開斷能力，實現(xiàn)快速可靠開斷，成為目前直流斷路器研究與發(fā)展的主要目標，這既是滿足多端直流輸電、直流電網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展的要求，也是實現(xiàn)我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和直流輸電建設(shè)發(fā)展迫切需要解決的實際問題，具有重要的理論和實際意義。目前直流斷路器的研究難點主要為：

1）無自然過零點；

2）需要在幾毫秒時間內(nèi)迅速限制短路故障電流幅值和上升率；

3）吸收大量能量；

4）暫態(tài)恢復(fù)電壓上升速度極快；

5）可靠開斷及減少成本。

近些年，我國直流斷路器的研究在理論和實踐方面都有了長足的進步，但離直流斷路器在直流電網(wǎng)的普遍應(yīng)用還有很大差距。實現(xiàn)大功率高幅值直流快速開斷是目前直流斷路器研發(fā)中亟需解決的主要難題。