北极星智能电网在线讯:为降低直流电网中故障电流峰值大小,基于一种无弧分断高压直流断路器,首先分析了避雷器的保护原理以及快速机械开关的分断原理;然后针对快速机械开关分断时间较长的问题,提出了一种避雷器分步投入分断方法,在快速机械开关分断达到相应耐压要求后立即投入相应数量避雷器,从而降低了高压直流断路器故障电流峰值大小,减小了系统中关键设备所受的电流应力,并减少了避雷器吸收的能量及其受到的冲击电流热效应;最后通过PSCAD/EMTDC仿真分析,验证了该分断方法的有效性。
我国地域能源资源分布和经济发展的不均衡使得跨区域长距离输电势在必行[1-2]。高压直流输电具有线损低、运行稳定、非同步联网、可控性好等优点[3-5],此外,大规模可再生能源并网对于传统电网的消纳能力提出了较大挑战,而基于常规直流和柔性直流的直流电网技术是该问题的一种有效解决手段[6-7]。
直流电网能够实现多电源供电和多落点受电,且其换流站数量少、控制灵活、冗余较多、可靠性高,是未来电网的发展方向之一[8-9]。然而,直流电网响应时间常数小,故障响应要求较高,因此,直流电网保护技术是其当前发展面临的主要挑战之一[10-13]。高压直流断路器的配置对直流电网保护策略具有重要影响,是直流电网保护的关键设备[14-17]。在直流侧发生短路故障后,故障电流的峰值越大,直流电网中的关键设备受到的电流冲击便越大,直流断路器中绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的应力要求就越高,避雷器吸收能量也越多,进而影响到高压直流断路器的参数设计及成本。因此,降低短路电流峰值大小是高压直流断路器快速分断要实现的重要目标之一。
高压直流断路器主要分为机械式直流断路器、全固态直流断路器及混合式直流断路器[18-21],其中,混合式直流断路器综合了前2者的优点,分断速度较快且通态损耗低,具有良好的应用前景[22]。ABB公司提出一种基于IGBT串联和快速机械开关（FSM）的混合式高压直流断路器拓扑,实现了FSM的无弧分断[21],且于2012年完成了80kV/2.6kA（额定电压／额定开断电流）样机试验,故障响应时间为5ms,最大开断电流达9kA。国内方面,全球能源互联网研究院提出一种级联全桥高压直流断路器,实现了故障电流的软开断,降低了电力电子器件的均压难度,并于2015年完成了200kV的样机试验,其故障响应时间达3ms,最大可开断15kA故障电流[23]。
虽然目前已经提出一种能够实现无弧分断的混合式直流断路器,但FSM的分断时间依然很大程度上制约了其故障响应速度,短路故障电流峰值依然较高。本文基于能够实现无弧分断的高压直流断路器,首先分析了短路故障下避雷器保护以及FSM的分断原理,随后针对FSM分断时间较长的问题,提出一种高压直流断路器的避雷器分步投入分断方法,在保证FSM分断达到相应耐压要求的情况下分步投入相应组数的避雷器,提前形成反电势。最后通过PSCAD/EMTDC仿真分析,验证了该分断方法能够降低高压直流断路器分断过程中故障电流峰值的大小,加快了分断速度,减少了该过程中避雷器的吸收能量及冲击电流热效应。
1 高压直流断路器拓扑及分断原理
为快速分断直流故障电流、减小故障电流峰值大小,目前国内外已相继提出多种直流断路器拓扑。无弧分断混合式高压直流断路器拓扑如图1所示,本文以四分段高压直流断路器为例,该直流断路器主要包括并联的机械支路、主支路以及能量吸收支路。其中,机械支路包括串联的机械开关K以及IGBT开关Tm;主支路包括依次串联的IGBT开关阀组T1、T2、T3、T4,每组开关由多个IGBT串联而成;能量吸收支路由多组避雷器串联而成,每组避雷器由多个避雷器并联而成。
当系统正常运行时,机械支路与主支路同时导通,由于机械支路的导通电阻比主支路电阻小很多,因此直流电流主要从机械支路流过,运行损耗较小。
在直流侧发生短路故障后,直流电流将迅速增大,直流断路器接收到保护信号后迅速启动分断。该分断过程可分为以下3个部分：
1）机械支路的IGBT开关Tm迅速关断,故障电流向主支路转移并持续增大,该过程约耗几百μs的时间。
2）在机械支路电流降为0之后,机械开关K启动分断,避免了因在大电流下分断而产生电弧,实现了机械开断的无弧分断,加快了直流断路器分断速度,延长了机械开关使用寿命。
3）在机械开关K分断达到耐压要求后,T1、T2、T3、T4同时关断,故障电流迅速转移至能量吸收支路,避雷器投入形成反电势并吸收直流系统中感性器件存储的能量,直流电流逐渐降为0,完成分断。
2 避雷器分步投入分断方法
2.1氧化锌避雷器保护及能量吸收原理
氧化锌避雷器具有优异的非线性伏安特性,在直流电网发生故障后,将多组避雷器按次序投入能够形成相应大小的反电势。为简化分析,假设换流站输出直流电压为一恒直流电压源,直流负载为一等效直流电阻Req,系统电抗为Ldc,设直流系统发生对地短路故障,则直流侧短路故障如图2所示。
直流侧短路故障发生后,故障电流为
idc=IdcN+1Ldc∫Udcdtidc=IdcN+1Ldc∫Udcdt(1)
式中：IdcN是直流系统正常运行时的电流;Udc是直流系统等值电压。
由式(1)可知,故障发生后,直流侧电流迅速上升,系统电抗器吸收能量。由于故障后等值电阻非常小,电抗器吸收的能量近似等于恒压源提供的能量。
图1混合式直流断路器
图2直流断路器系统运行简化图
