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技术答疑

带你了解高压直流断路器

电力输送从简单的线条向复杂的网络发展,需要依靠高压断路器形成能够开合的节点,从而实现电网各部分灵活地组合或分离。这一方面扩大了电网的规模,另一方面提高了电网对故障的冗余能力。无论是交流电网还是直流电网,高压断路器都是电力输送网络中最基础和关键的设备。
 
高压直流断路器就是切断直流电流的装备。完成直流输电系统运行方式切换和线路故障清除是它的两大主要功能。高压直流断路器也因此被称为直流电网的“网络关节”和“安全守卫”,对保障直流系统安全、经济、灵活运行意义重大。张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程(以下简称张北柔直工程)高压直流断路器的研发应用填补了500千伏高压直流断路器产品及工程应用的国际空白,也使直流输电向直流电网发展成为现实。
 
从无到有,高压直流断路器逐步升级
 
自20世纪50年代高压直流输电技术走向工程应用以来,世界上已有上百个直流输电工程投入运行,大多数采用点对点输电的形式。高压直流断路器的缺乏制约了直流输电向网络化的方向发展。要形成直流电网,迫切需要制造出能快速切断大电流的高压直流断路器。
 
2012年,全球能源互联网研究院有限公司率先提出了高压直流断路器构想并启动项目研究。通过科研攻关,联研院先后突破了高压直流断路器基础理论研究、关键零部件研制、样机集成及等效试验等系列关键技术难题。
 
2014年年底,联研院自主研发出世界首套200千伏高压直流断路器样机。2016年年底,200千伏高压直流断路器成功应用于舟山五端柔性直流输电工程,标志着国家电网公司在直流断路器领域向前迈出一大步,也填补了国际上高压直流断路器工程应用的空白。投运以来,200千伏高压直流断路器累计完成60余次系统切换、4次直流海缆单双极接地短路故障清除,解决了该工程的带电投退、快速故障隔离和故障后系统快速恢复等问题。工程可用率从87%提升至99%,共计增加输电量10.5亿千瓦时。项目成果显著提升了舟山五端柔性直流输电工程运行的灵活性与可靠性。
 
能否将高压直流断路器的电压等级提升到500千伏,并应用到真正的直流电网环境中?基于200千伏高压直流断路器的研发和运行经验,联研院继续带领国内各设备生产单位和高等院校开展技术攻关,在高效率电磁供能、毫秒级分断超高速机械开关、数字化电力电子器件驱动、多模式切换控制保护装置等关键零部件工程化研制方面取得突破。
 
2017年,联研院研发出500千伏高压直流断路器样机,并完成了型式试验,初步摸清了500千伏高压直流断路器工程化应用的路径,为世界首个具有网络特性的直流电网建设奠定了设备基础。在张北柔直工程创造的12项“世界第一”中,就包含了当前世界上最高电压等级、最大开断能力的直流断路器(535千伏、25千安、3毫秒)。
 
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创新攻关,破解500千伏高压直流断路器研发难题
 
±500千伏张北柔性直流电网要求作为主保护装置的高压直流断路器在3毫秒内完成故障电流开断,并且能够快速可靠实现故障线路的隔离及重合。同时,张北柔直工程高压直流断路器还需要具备带电投切能力,实现换流站在直流电网中的灵活投退。
 
与交流断路器在交流周期中的电流零点处开断截然不同,直流电流没有零点,用常规的机械力量无法切断直流电弧,必须另辟蹊径。
 
500千伏高压直流断路器研发面临的挑战主要来自三方面:首先,需要人工构建电流零点,强制扭转数万安电流的发展趋势;其次,需要在耐受数十万伏高压的同时耗散百兆焦级能量,这种强度的电磁冲击在电力系统中极为罕见,相当于让速度100千米/小时行驶的火车在8厘米内完成制动;最后也是最关键的,开断要快,要比人眨眼快一万倍。
 
科技攻关团队采用“三步走”策略逐级攻破这三大难题——充分挖掘高压大容量直流开断机制机理,首创的级联全桥混合式高压直流断路器拓扑解决了25千安电流人工零点构建的难题;深度揭示多物理量交互路径,在多时间尺度下实现分层分段应力解耦,解决了百兆焦级能量的电磁冲击阻断难题;拓展可控型电力电子器件和超高速机械开关运行边界,通过智能协调技术实现了开断时间小于2.5毫秒。
 
基于这些科学理论和工程技术成果,500千伏高压直流断路器在各科研院所和产业单位的共同努力下实现工程化落地,并由5家设备制造商完成技术成果转化。
 
成功应用,推动直流输电向直流电网方向发展
 
张北柔直工程是一个典型的双极四端“口”字型柔性直流电网,在各直流输电线路两侧配置高压直流断路器。该工程共8条直流输电线路,每条直流输电线路两端各需配置1台高压直流断路器,共配置16台。16台高压直流断路器安装在直流输电线路两端的换流站阀厅内。张北、康保、丰宁、北京4个换流站内各配置了4台高压直流断路器。
 
为了保证设备稳定运行,从运抵工程现场到正式投运之前,500千伏高压直流断路器还经历了两个阶段的检测。
 
在组装完成、未接入柔性直流电网时,技术人员进行了高压直流断路器现场试验。现场试验是型式试验的简化版,相当于高压直流断路器工作前的最后一次全面“身体检查”,主要为了排除长途运输和现场安装可能给设备造成的损害。现场试验中,技术人员实施了模拟直流断路器运行工况的各种试验项目,以确保直流断路器在接入电网前功能完备。
 
在高压直流断路器接入柔性直流电网并配合整个直流系统完成联调后,就要开展人工短路试验。此时整个柔性直流系统的所有设备准备就绪,柔性直流系统调试运行与正常投运无异。人工短路试验相当于高压直流断路器正式投运前的一次“军事演习”,就是在真实的运行工况下,通过人工操作去模仿自然环境下直流线路可能出现的短路故障,来检测高压直流断路器在真实电网运行环境中能否按要求实现保护功能。6月9日,张北柔直工程康保换流站人工短路试验顺利完成,500千伏高压直流断路器在3毫秒内完成开断并实现重合闸操作。试验的成功为工程的正式投运奠定了扎实基础。
 
作为电力系统中的一种全新设备,张北柔直工程500千伏高压直流断路器突破了直流输电向更为灵活经济的直流电网方向发展的技术瓶颈,大幅提升了我国电力电子装备的国际影响力。(魏晓光 张升 丁骁 供图及作者单位:全球能源互联网研究院有限公司)
 
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