第3章 高壓直流開(kāi)斷技術(shù)

3.1 高壓直流斷路器發(fā)展概述

3.1.1 中國(guó)直流輸電工程建設(shè)

高壓直流輸電技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代，而突破性的發(fā)展是在80年代，進(jìn)入21世紀(jì)后，更是備受關(guān)注。近年來(lái)，高壓直流輸電技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，已成為遠(yuǎn)距離輸送電能的發(fā)展方向。我國(guó)現(xiàn)有多條高壓直流輸電工程和柔性直流輸電工程，并計(jì)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(chǎng)的主要開(kāi)關(guān)設(shè)備必不可少。我國(guó)直流輸電技術(shù)在20世紀(jì)80年代得到重要發(fā)展，建成了代表當(dāng)時(shí)世界水平的葛洲壩—上海±500kV直流輸電工程。隨后我國(guó)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(gè)直流工程輸送超過(guò)4000萬(wàn)kW的電力。當(dāng)前我國(guó)直流輸電工程的運(yùn)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(guó)直流輸電技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)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(guó)大陸運(yùn)行的、在建的和計(jì)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(wú)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(wú)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(kāi)發(fā)，迫切需要將這些分散化、小型化的電能通過(guò)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的方式輸送到電網(wǎng)中。此外孤島用電、城市擴(kuò)容送電等都對(duì)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(yùn)而生^[1]。IGBT具有開(kāi)關(guān)頻率高、損耗小和驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，適用于高電壓、大容量的應(yīng)用場(chǎng)合。柔性直流輸電技術(shù)從根本上解決了換相失敗問(wèn)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(shí)間短及運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。其優(yōu)勢(shì)如下^[2]：①可控性強(qiáng)，柔性直流系統(tǒng)可以快速、獨(dú)立地調(diào)控有功功率和無(wú)功功率，增強(qiáng)了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性；②易進(jìn)行潮流反轉(zhuǎn)，柔性直流系統(tǒng)在進(jìn)行潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，不用改變電壓極性以及控制系統(tǒng)與電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅需改變電流方向，具有更高的可靠性；③可實(shí)現(xiàn)與交流系統(tǒng)無(wú)縫銜接，柔性直流系統(tǒng)不會(huì)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(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電；④諧波大幅減少，無(wú)須大量加裝濾波設(shè)備；⑤換流站獨(dú)立性強(qiáng)，各換流站可獨(dú)立控制，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，有助于多端直流系統(tǒng)的實(shí)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(shì)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(shí)，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(shí)，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(kāi)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(guó)已經(jīng)運(yùn)行的和在建的柔性高壓直流輸電工程。

目前我國(guó)已有很多運(yùn)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(duì)于交流輸電網(wǎng)靈活、多樣的連接方式，世界上已運(yùn)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(shí)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(kāi)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的直流輸電線路相比具有很大的優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(yùn)行以來(lái)，高壓直流輸電以交流輸電不可替代的優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)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(lái)，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(chǎng)合。我國(guó)電力系統(tǒng)直流輸電技術(shù)發(fā)展迅速，目前已經(jīng)運(yùn)行和在建的高壓直流輸電工程超過(guò)20條，電壓等級(jí)達(dá)到±1100kV；已經(jīng)運(yùn)行和在建的柔性直流輸電工程超過(guò)5條，電壓等級(jí)達(dá)到±500kV。我國(guó)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(duì)于交流輸電具有明顯的優(yōu)勢(shì)，直流輸電的主要優(yōu)勢(shì)如下^[1]：

1）輸送相同功率時(shí)，線路的造價(jià)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(méi)有感抗和容抗，線路上沒(méi)有無(wú)功損耗，直流架空線路的電暈損耗小，無(wú)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(méi)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(duì)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(gè)交流系統(tǒng)，由于直流線路沒(méi)有電抗，因而也就沒(méi)有穩(wěn)定問(wèn)題，使直流輸電不受輸電距離限制；

5）直流聯(lián)網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)間干擾小，當(dāng)采用直流聯(lián)網(wǎng)方式時(shí)，能有效地隔斷各個(gè)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(dāng)一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生連鎖反應(yīng)故障時(shí)，可以避免和減輕對(duì)另一個(gè)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(yùn)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(wú)功功率，整流器和逆變器所需的無(wú)功功率分別為有功功率的30%～50%和40%～60%；

3）換流裝置在運(yùn)行中產(chǎn)生大量的諧波且過(guò)載能力較小；

4）目前高壓直流斷路器成本過(guò)高且開(kāi)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(diǎn)可以看出，相比于交流輸電，直流輸電具有明顯的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)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(guò)高、開(kāi)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(kāi)斷、成本較低和穩(wěn)定性好的高壓直流斷路器，將能促進(jìn)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(wú)須換流站，將進(jìn)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(duì)具有短路電流開(kāi)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(kāi)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(gè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(gè)數(shù)由左邊的12個(gè)減少為右邊的4個(gè)，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(diǎn)

由于直流電流無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)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(kāi)斷直流電流。尤其在高壓、特高壓直流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直流電流的快速開(kāi)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(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，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(jìn)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(guò)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(yùn)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(wú)自然過(guò)零點(diǎn)，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(kāi)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(jì)和實(shí)現(xiàn)難度遠(yuǎn)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(kāi)斷能力，實(shí)現(xiàn)快速可靠開(kāi)斷，成為目前直流斷路器研究與發(fā)展的主要目標(biāo)，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(shí)現(xiàn)我國(guó)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和直流輸電建設(shè)發(fā)展迫切需要解決的實(shí)際問(wèn)題，具有重要的理論和實(shí)際意義。目前直流斷路器的研究難點(diǎn)主要為：

1）無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)；

2）需要在幾毫秒時(shí)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(kāi)斷及減少成本。

近些年，我國(guó)直流斷路器的研究在理論和實(shí)踐方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)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(shí)現(xiàn)大功率高幅值直流快速開(kāi)斷是目前直流斷路器研發(fā)中亟需解決的主要難題。