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
避雷器投入后故障电流的计算式为
idc=IdcN+1Ldc∫(Udc−n(t)Uvar)dtidc=IdcN+1Ldc∫(Udc−n(t)Uvar)dt(2)
式中：n(t)为关断的IGBT阀组数,其值为0~4之间的整数;Uvar为1组避雷器投入所形成的反电势值,该值在分断过程中近似为定值。
以故障发生时刻为初始时刻,则4组避雷器投入时刻t4的故障电流大小为
I4=IdcN+UdcLdct4−UvarLdc(Δt1+2Δt2+3Δt3)I4=IdcN+UdcLdct4−UvarLdc(Δt1+2Δt2+3Δt3)(3)
式中,Δti为投入第i组避雷器的时长。
由式(3)可知,分断过程中,避雷器投入越早,t4时刻的故障电流越小。4组避雷器投入时刻至故障电流降为0所用时间为
Δt4=LdcI44Uvar−UdcΔt4=LdcI44Uvar−Udc(4)
由于4组避雷器投入时刻即FSM达到耐压要求时刻,因此对于特定直流断路器t4为定值。由式(2)、(3)、(4)可知,在系统参数一定的情况下,避雷器投入能够形成反电势,降低故障电流大小。且分断过程中避雷器投入越早,故障电流峰值越小,系统中设备所受冲击越小,直流断路器完全分断所用时间越短。
避雷器投入过程中吸收系统电源以及感性元件释放的能量。由于电抗器释放的能量为系统正常运行时存储的能量与故障发生后从恒压源吸收的能量之和,则分断过程中避雷器吸收的总能量为故障后恒压源提供的能量与正常运行时电抗器存储的能量之和。其中,系统正常运行时,电抗器存储的能量为
EL=12LdcI2dcNEL=12LdcIdcN2(5)
由式(5)可知,在系统参数一定的情况下,电抗器正常运行时存储的能量一定。系统恒压源提供的能量为
EU=∫UdcidcdtEU=∫Udcidcdt(6)
则故障发生至4组避雷器投入前,系统恒压源提供的能量为
EU1=UdcIdcNt4+U2dc2Ldct24−U2dcLdc∑i=13iΔt2iEU1=UdcIdcNt4+Udc22Ldct42−Udc2Ldc∑i=13iΔti2(7)
将式(2)与式(4)代入式(6)可得,4组避雷器投入后系统恒压源提供的能量为
EU2=LdcUdcI242(4Uvar−Udc)EU2=LdcUdcI422(4Uvar−Udc)(8)
则分断过程中,避雷器吸收的总能量为
Emov=EL+EU1+EU2Emov=EL+EU1+EU2(9)
由式(9)可知,在系统参数一定的情况下,分断过程中避雷器的投入时间直接影响到避雷器吸收能量。且避雷器投入越早,避雷器吸收的能量和受到的冲击电流的热效应越小,有利于延长避雷器使用寿命。
2.2 FSM分断原理
由于IGBT开断迅速,直流断路器故障响应时间主要集中于FSM分断。为加快分断速度,FSM需要尽量短的响应及刚分时间以及足够大的分闸初速度。基于电磁斥力机构的快速真空开关具有结构简单,分、合闸速度快的特点,适用于响应要求高的混合式高压直流断路器[24-25]。FSM分断的目的是满足避雷器投入时的耐压要求,因此可以采用避雷器分步投入方法,在FSM耐压达到相应要求时立即投入相应组数的避雷器,从而降低分断电流,减少避雷器吸收的能量。
在其他因素相同的情况下,击穿电压随着电极距离的增加而增大。电磁斥力结构采用真空介质,而微粒引起电击穿是真空间隙电击穿的主要原因之一,其击穿电压Up与间隙距离s的关系为
Up=k1s√Up=k1s(10)
式中,k1为常数,其取值范围由试验方法确定为1.2×105~2.5×105V/cm1/2。
考虑到FSM的耐压水平留有裕度,则击穿电压与耐压水平U的关系为
Up=k2UUp=k2U(11)
式中,k2为<1的正常数。
将式(11)代入式(10),写成一般形式为
U=k1k2sαU=k1k2sα(12)
式中,α的取值范围为0.5~1,其大小与间隙长度有关,间隙短,α值偏大,其原因是当间隙较小时,场致发射同样可能引起击穿。
电磁斥力机构的分断主要分为斥力产生过程、加速过程以及缓冲过程,其中斥力产生过程时间很短,在故障电流转移过程中即可完成,而缓冲过程主要作用是消耗其动能,减少对FSM的损伤,对分析影响均较小;加速过程决定了FSM的分断速度及耐压水平,对分断过程影响最大,是分析的重点。然而加速过程中分断速度受诸多因素影响,且都非常复杂,很难通过理论计算直接得到精确的数据。为简化分析,假设快速开关在分闸过程中是匀加速的,因此快速开关的分闸行程s与时间t的关系为
式中,k3为常数,其值为加速度值的1/2。
将式(13)代入式(12),可得机械开关耐压水平与开断时间的关系为
式中k为系数。当真空间隙变大,系数α趋向于0.5,且电磁斥力机构的作用力减小,速度减慢,因此单靠加大间隙距离来大幅度提升耐压水平十分困难。当电压等级较高时,通常需要串联多个FSM。因此直流断路器中机械开关的总耐压水平UtotUtot与时间的关系为
Utot=nkt2αUtot=nkt2α(15)
然而FSM串联个数增加会导致开断可靠性降低,因此实际工程中在保证开断速度的同时应尽量减少FSM的串联个数。
2.3 避雷器分步投入分断方法
根据避雷器的保护原理以及FSM的分断性能,本文提出一种避雷器分步投入无弧分断方法,以4组避雷器的混合式高压直流断路器为例,FSM需要达到的总耐压水平为4Uvar,设NT为正整数,其值为1、2、3、4,则具体分断过程如下：
1）IGBT开关Tm迅速关断,短路电流向主支路转移并持续增大。
2）在机械支路电流变为0之后,机械开关K分断。
3）在机械开关K的分断耐压水平达到NTUvar后,立即关断主支路NT组固态开关,投入并联的避雷器。
4）当机械开关K分断耐压水平达到4Uvar后,主支路完全关断,避雷器全部投入并形成足够大反电势,短路电流逐渐降为0,完成分断。
该分断过程中,由于各组避雷器投入时间不完全相同,因此避雷器吸收能量也各有差异。为了最大程度利用避雷器容量,避雷器的投入次序需尽量满足吸收能量平衡,可利用排序法和固定时长法。其中,排序法需将避雷器吸收能量进行排序,并将吸收能量最少的NT组避雷器投入;固定时长法可预先计算避雷器吸收的能量,并以此来预设各避雷器的投入次序和时间,以达到能量平衡的目的。
3 仿真及算例分析
.典型200kV混合式高压直流断路器的简化系统模型如图2所示,其参数如表1所示。其中,4组避雷器额定电压之和为系统电压200kV,其保护水平应略大于系统电压的1.5倍,该仿真中耐压最大值约为350kV;由于选定耐压水平为50kV的FSM,其个数为7,计入超程距离后,FSM的总耐压水平最终达370kV。在该简化模型中分别对高压直流断路器常规分断和避雷器分步投入分断进行仿真分析。
3.1 常规分断
令直流系统于1s处发生直流侧短路故障,高压直流断路器接收分断信号后进行常规分断,则分断过程中故障电流、开关电压以及4组避雷器吸收总能量如图3所示,其中,Imec为机械支路电流,Imain为主支路与能量吸收支路电流之和,Ifau为动作电流参考值,Umec为机械开关耐压水平,Ub为直流断路器两端电压。因此,直流侧电流为Imec与Imain之和。
由图3(a)可知,短路故障后约0.7ms后机械支路电流转移至主支路,机械开关开始分断,其中,直流断路器故障判断及传感器延时为0.5ms,IGBT关断及电流转移时间为0.2ms,2ms之后机械开关分断达到耐压要求,主支路IGBT关断,电流转移至能量吸收回路,电流逐渐降为0,完成分断。
表1直流断路器及系统参数
由图3(b)可知,电流转移至主支路后,由于主支路IGBT电阻变大以及电流上升,直流断路器两端电压随之逐渐增大,在主支路IGBT完全关断之后,避雷器投入迅速形成反电势,直流断路器两端电压约达到350kV并缓慢下降,在避雷器将系统中电抗器等储能装置释放的能量吸收之后,直流断路器两端电压迅速下降并嵌位于200kV左右。
由图3(c)可知,4组避雷器吸收能量之和约为9097kJ。
直流断路器两端电压由机械支路中FSM与IGBT共同承受,FSM最初分断时,直流断路器两端电压主要由机械支路IGBT承受;其后,电压主要施加于FSM两端。从图3中可知,直流断路器两端电压在FSM耐压水平内,该过程中故障电流峰值约为12.42kA。
3.2避雷器分步投入分断
图3常规分断
从系统参数可知,FSM在2ms需要达到的耐压水平为350kV。由于主支路具有导通电阻,直流断路器两端在投入第1组避雷器前具有初始电压。根据式(14),分别在FSM开始分断之后的0.79、1.24、1.64、2ms时投入1组、2组、3组和4组避雷器。则分断过程中直流电流、直流断路器两端电压以及4组避雷器吸收总能量如图4所示。
从图4中可知,由于主支路具有导通电阻,在投入第1组避雷器前机械开关两端电压约为9.5kV,直流断路器两端电压分别在约1.0016、1.0021、1.0025和1.0028s处迅速增大为95、180、265、350kV,均在FSM耐压水平之内。该分断过程中,短路电流峰值约为8.97kA,4组避雷器吸收能量之和约为6154kJ。
根据图3和图4,直流侧故障下,常规分断方法与避雷器分步投入分断方法的分断性能比较如表2所示。
表2 2种分断方法的性能比较
图4避雷器分步投入分断
由仿真分析和比较可知,避雷器分步投入分断法在满足FSM耐压要求的情况下,降低了故障电流峰值,加快了分断速度,降低了直流断路器中IGBT的应力要求,减小了故障电流对系统中其他关键设备的电流冲击,同时减少了避雷器吸收能量以及冲击电流热效应,延长了避雷器使用寿命。
4 结论
1）本文首先对直流系统的直流侧短路故障以及无弧分断高压直流断路器分断原理进行了分析,结果表明,在直流侧短路故障发生后,避雷器投入时间越早,故障电流峰值越小,避雷器吸收能量越少。
2）基于氧化锌避雷器保护以及FSM分断原理,进而提出了高压直流断路器的避雷器分步投入分断方法,该方法具有以下特点：
（1）在满足FSM耐压要求的前提下,将各组避雷器分步投入,与常规分断方法相比,其提前了避雷器的投入时间。
（2）降低了故障电流峰值大小,减小了直流断路器以及系统中其他关键设备所受的电流应力。
（3）减少了避雷器吸收能量及冲击电流热效应,延长了避雷器使用寿命,提升了直流系统运行的可靠性。
作者：吴学光 王晓晨 朱永强 林畅 刘栋 王婉君
原标题：华北电力大学 吴学光等：如何提升高压直流断路器响应速度？
