DQZHAN訊：深度！如何提升高壓直流斷路器響應(yīng)速度

為降低直流電網(wǎng)中故障電流峰值大小,基于一種無弧分?jǐn)喔邏褐绷鲾嗦菲?首先分析了避雷器的保護(hù)原理以及快速機(jī)械開關(guān)的分?jǐn)嘣?然后針對(duì)快速機(jī)械開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)間較長(zhǎng)的問題,提出了一種避雷器分步投入分?jǐn)喾椒?在快速機(jī)械開關(guān)分?jǐn)噙_(dá)到相應(yīng)耐壓要求后立即投入相應(yīng)數(shù)量避雷器,從而降低了高壓直流斷路器故障電流峰值大小,減小了系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備所受的電流應(yīng)力,并減少了避雷器吸收的能量及其受到的沖擊電流熱效應(yīng);*后通過PSCAD/EMTDC仿真分析,驗(yàn)證了該分?jǐn)喾椒ǖ挠行浴?

我國(guó)地域能源資源分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡使得跨區(qū)域長(zhǎng)距離輸電勢(shì)在必行[1-2]。高壓直流輸電具有線損低、運(yùn)行穩(wěn)定、非同步聯(lián)網(wǎng)、可控性好等優(yōu)點(diǎn)[3-5],此外,大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)對(duì)于傳統(tǒng)電網(wǎng)的消納能力提出了較大挑戰(zhàn),而基于常規(guī)直流和柔性直流的直流電網(wǎng)技術(shù)是該問題的一種有效解決手段[6-7]。

直流電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電和多落點(diǎn)受電,且其換流站數(shù)量少、控制靈活、冗余較多、可靠性高,是未來電網(wǎng)的發(fā)展方向之一[8-9]。然而,直流電網(wǎng)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)小,故障響應(yīng)要求較高,因此,直流電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)是其當(dāng)前發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一[10-13]。高壓直流斷路器的配置對(duì)直流電網(wǎng)保護(hù)策略具有重要影響,是直流電網(wǎng)保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備[14-17]。在直流側(cè)發(fā)生短路故障后,故障電流的峰值越大,直流電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備受到的電流沖擊便越大,直流斷路器中絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的應(yīng)力要求就越高,避雷器吸收能量也越多,進(jìn)而影響到高壓直流斷路器的參數(shù)設(shè)計(jì)及成本。因此,降低短路電流峰值大小是高壓直流斷路器快速分?jǐn)嘁獙?shí)現(xiàn)的重要目標(biāo)之一。

高壓直流斷路器主要分為機(jī)械式直流斷路器、全固態(tài)直流斷路器及混合式直流斷路器[18-21],其中,混合式直流斷路器綜合了前2者的優(yōu)點(diǎn),分?jǐn)嗨俣容^快且通態(tài)損耗低,具有良好的應(yīng)用前景[22]。ABB公司提出一種基于IGBT串聯(lián)和快速機(jī)械開關(guān)（FSM）的混合式高壓直流斷路器拓?fù)?實(shí)現(xiàn)了FSM的無弧分?jǐn)郲21],且于2012年完成了80kV/2.6kA（額定電壓／額定開斷電流）樣機(jī)試驗(yàn),故障響應(yīng)時(shí)間為5ms,*大開斷電流達(dá)9kA。國(guó)內(nèi)方面,全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院提出一種級(jí)聯(lián)全橋高壓直流斷路器,實(shí)現(xiàn)了故障電流的軟開斷,降低了電力電子器件的均壓難度,并于2015年完成了200kV的樣機(jī)試驗(yàn),其故障響應(yīng)時(shí)間達(dá)3ms,*大可開斷15kA故障電流[23]。

雖然目前已經(jīng)提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)無弧分?jǐn)嗟幕旌鲜街绷鲾嗦菲?但FSM的分?jǐn)鄷r(shí)間依然很大程度上制約了其故障響應(yīng)速度,短路故障電流峰值依然較高。本文基于能夠?qū)崿F(xiàn)無弧分?jǐn)嗟母邏褐绷鲾嗦菲?首先分析了短路故障下避雷器保護(hù)以及FSM的分?jǐn)嘣?隨后針對(duì)FSM分?jǐn)鄷r(shí)間較長(zhǎng)的問題,提出一種高壓直流斷路器的避雷器分步投入分?jǐn)喾椒?在保證FSM分?jǐn)噙_(dá)到相應(yīng)耐壓要求的情況下分步投入相應(yīng)組數(shù)的避雷器,提前形成反電勢(shì)。*后通過PSCAD/EMTDC仿真分析,驗(yàn)證了該分?jǐn)喾椒軌蚪档透邏褐绷鲾嗦菲鞣謹(jǐn)噙^程中故障電流峰值的大小,加快了分?jǐn)嗨俣?減少了該過程中避雷器的吸收能量及沖擊電流熱效應(yīng)。

1 高壓直流斷路器拓?fù)浼胺謹(jǐn)嘣?

為快速分?jǐn)嘀绷鞴收想娏鳌p小故障電流峰值大小,目前國(guó)內(nèi)外已相繼提出多種直流斷路器拓?fù)?。無弧分?jǐn)嗷旌鲜礁邏褐绷鲾嗦菲魍負(fù)淙鐖D1所示,本文以四分段高壓直流斷路器為例,該直流斷路器主要包括并聯(lián)的機(jī)械支路、主支路以及能量吸收支路。其中,機(jī)械支路包括串聯(lián)的機(jī)械開關(guān)K以及IGBT開關(guān)Tm;主支路包括依次串聯(lián)的IGBT開關(guān)閥組T1、T2、T3、T4,每組開關(guān)由多個(gè)IGBT串聯(lián)而成;能量吸收支路由多組避雷器串聯(lián)而成,每組避雷器由多個(gè)避雷器并聯(lián)而成。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),機(jī)械支路與主支路同時(shí)導(dǎo)通,由于機(jī)械支路的導(dǎo)通電阻比主支路電阻小很多,因此直流電流主要從機(jī)械支路流過,運(yùn)行損耗較小。

在直流側(cè)發(fā)生短路故障后,直流電流將迅速增大,直流斷路器接收到保護(hù)信號(hào)后迅速啟動(dòng)分?jǐn)?。該分?jǐn)噙^程可分為以下3個(gè)部分：

1）機(jī)械支路的IGBT開關(guān)Tm迅速關(guān)斷,故障電流向主支路轉(zhuǎn)移并持續(xù)增大,該過程約耗幾百μs的時(shí)間。

2）在機(jī)械支路電流降為0之后,機(jī)械開關(guān)K啟動(dòng)分?jǐn)?避免了因在大電流下分?jǐn)喽a(chǎn)生電弧,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械開斷的無弧分?jǐn)?加快了直流斷路器分?jǐn)嗨俣?延長(zhǎng)了機(jī)械開關(guān)使用壽命。

3）在機(jī)械開關(guān)K分?jǐn)噙_(dá)到耐壓要求后,T1、T2、T3、T4同時(shí)關(guān)斷,故障電流迅速轉(zhuǎn)移至能量吸收支路,避雷器投入形成反電勢(shì)并吸收直流系統(tǒng)中感性器件存儲(chǔ)的能量,直流電流逐漸降為0,完成分?jǐn)唷?

2 避雷器分步投入分?jǐn)喾椒?

2.1氧化鋅避雷器保護(hù)及能量吸收原理

氧化鋅避雷器具有優(yōu)異的非線性伏安特性,在直流電網(wǎng)發(fā)生故障后,將多組避雷器按次序投入能夠形成相應(yīng)大小的反電勢(shì)。為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)換流站輸出直流電壓為一恒直流電壓源,直流負(fù)載為一等效直流電阻Req,系統(tǒng)電抗為L(zhǎng)dc,設(shè)直流系統(tǒng)發(fā)生對(duì)地短路故障,則直流側(cè)短路故障如圖2所示。

直流側(cè)短路故障發(fā)生后,故障電流為

idc=IdcN+1Ldc∫Udcdtidc=IdcN+1Ldc∫Udcdt(1)

式中：IdcN是直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電流;Udc是直流系統(tǒng)等值電壓。

由式(1)可知,故障發(fā)生后,直流側(cè)電流迅速上升,系統(tǒng)電抗器吸收能量。由于故障后等值電阻非常小,電抗器吸收的能量近似等于恒壓源提供的能量。

避雷器投入后故障電流的計(jì)算式為

idc=IdcN+1Ldc∫(Udc?n(t)Uvar)dtidc=IdcN+1Ldc∫(Udc?n(t)Uvar)dt(2)

式中：n(t)為關(guān)斷的IGBT閥組數(shù),其值為0~4之間的整數(shù);Uvar為1組避雷器投入所形成的反電勢(shì)值,該值在分?jǐn)噙^程中近似為定值。

以故障發(fā)生時(shí)刻為初始時(shí)刻,則4組避雷器投入時(shí)刻t4的故障電流大小為

I4=IdcN+UdcLdct4?UvarLdc(Δt1+2Δt2+3Δt3)I4=IdcN+UdcLdct4?UvarLdc(Δt1+2Δt2+3Δt3)(3)

式中,Δti為投入第i組避雷器的時(shí)長(zhǎng)。

由式(3)可知,分?jǐn)噙^程中,避雷器投入越早,t4時(shí)刻的故障電流越小。4組避雷器投入時(shí)刻至故障電流降為0所用時(shí)間為

Δt4=LdcI44Uvar?UdcΔt4=LdcI44Uvar?Udc(4)

由于4組避雷器投入時(shí)刻即FSM達(dá)到耐壓要求時(shí)刻,因此對(duì)于特定直流斷路器t4為定值。由式(2)、(3)、(4)可知,在系統(tǒng)參數(shù)一定的情況下,避雷器投入能夠形成反電勢(shì),降低故障電流大小。且分?jǐn)噙^程中避雷器投入越早,故障電流峰值越小,系統(tǒng)中設(shè)備所受沖擊越小,直流斷路器完全分?jǐn)嗨脮r(shí)間越短。

避雷器投入過程中吸收系統(tǒng)電源以及感性元件釋放的能量。由于電抗器釋放的能量為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)的能量與故障發(fā)生后從恒壓源吸收的能量之和,則分?jǐn)噙^程中避雷器吸收的總能量為故障后恒壓源提供的能量與正常運(yùn)行時(shí)電抗器存儲(chǔ)的能量之和。其中,系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),電抗器存儲(chǔ)的能量為

EL=12LdcI2dcNEL=12LdcIdcN2(5)

由式(5)可知,在系統(tǒng)參數(shù)一定的情況下,電抗器正常運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)的能量一定。系統(tǒng)恒壓源提供的能量為

EU=∫UdcidcdtEU=∫Udcidcdt(6)

則故障發(fā)生至4組避雷器投入前,系統(tǒng)恒壓源提供的能量為

EU1=UdcIdcNt4+U2dc2Ldct24?U2dcLdc∑i=13iΔt2iEU1=UdcIdcNt4+Udc22Ldct42?Udc2Ldc∑i=13iΔti2(7)

將式(2)與式(4)代入式(6)可得,4組避雷器投入后系統(tǒng)恒壓源提供的能量為

EU2=LdcUdcI242(4Uvar?Udc)EU2=LdcUdcI422(4Uvar?Udc)(8)

則分?jǐn)噙^程中,避雷器吸收的總能量為

Emov=EL+EU1+EU2Emov=EL+EU1+EU2(9)

由式(9)可知,在系統(tǒng)參數(shù)一定的情況下,分?jǐn)噙^程中避雷器的投入時(shí)間直接影響到避雷器吸收能量。且避雷器投入越早,避雷器吸收的能量和受到的沖擊電流的熱效應(yīng)越小,有利于延長(zhǎng)避雷器使用壽命。

2.2 FSM分?jǐn)嘣?

由于IGBT開斷迅速,直流斷路器故障響應(yīng)時(shí)間主要集中于FSM分?jǐn)?。為加快分?jǐn)嗨俣?FSM需要盡量短的響應(yīng)及剛分時(shí)間以及足夠大的分閘初速度。基于電磁斥力機(jī)構(gòu)的快速真空開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,分、合閘速度快的特點(diǎn),適用于響應(yīng)要求高的混合式高壓直流斷路器[24-25]。FSM分?jǐn)嗟哪康氖菨M足避雷器投入時(shí)的耐壓要求,因此可以采用避雷器分步投入方法,在FSM耐壓達(dá)到相應(yīng)要求時(shí)立即投入相應(yīng)組數(shù)的避雷器,從而降低分?jǐn)嚯娏?減少避雷器吸收的能量。

在其他因素相同的情況下,擊穿電壓隨著電極距離的增加而增大。電磁斥力結(jié)構(gòu)采用真空介質(zhì),而微粒引起電擊穿是真空間隙電擊穿的主要原因之一,其擊穿電壓Up與間隙距離s的關(guān)系為

Up=k1s√Up=k1s(10)

式中,k1為常數(shù),其取值范圍由試驗(yàn)方法確定為1.2×105~2.5×105V/cm1/2。

考慮到FSM的耐壓水平留有裕度,則擊穿電壓與耐壓水平U的關(guān)系為

Up=k2UUp=k2U(11)

式中,k2為<1的正常數(shù)。

將式(11)代入式(10),寫成一般形式為

U=k1k2sαU=k1k2sα(12)

式中,α的取值范圍為0.5~1,其大小與間隙長(zhǎng)度有關(guān),間隙短,α值偏大,其原因是當(dāng)間隙較小時(shí),場(chǎng)致發(fā)射同樣可能引起擊穿。

電磁斥力機(jī)構(gòu)的分?jǐn)嘀饕譃槌饬Ξa(chǎn)生過程、加速過程以及緩沖過程,其中斥力產(chǎn)生過程時(shí)間很短,在故障電流轉(zhuǎn)移過程中即可完成,而緩沖過程主要作用是消耗其動(dòng)能,減少對(duì)FSM的損傷,對(duì)分析影響均較小;加速過程決定了FSM的分?jǐn)嗨俣燃澳蛪核?對(duì)分?jǐn)噙^程影響*大,是分析的重點(diǎn)。然而加速過程中分?jǐn)嗨俣仁苤T多因素影響,且都非常復(fù)雜,很難通過理論計(jì)算直接得到**的數(shù)據(jù)。為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)快速開關(guān)在分閘過程中是勻加速的,因此快速開關(guān)的分閘行程s與時(shí)間t的關(guān)系為

式中,k3為常數(shù),其值為加速度值的1/2。

將式(13)代入式(12),可得機(jī)械開關(guān)耐壓水平與開斷時(shí)間的關(guān)系為

式中k為系數(shù)。當(dāng)真空間隙變大,系數(shù)α趨向于0.5,且電磁斥力機(jī)構(gòu)的作用力減小,速度減慢,因此單靠加大間隙距離來大幅度提升耐壓水平十分困難。當(dāng)電壓等級(jí)較高時(shí),通常需要串聯(lián)多個(gè)FSM。因此直流斷路器中機(jī)械開關(guān)的總耐壓水平UtotUtot與時(shí)間的關(guān)系為

Utot=nkt2αUtot=nkt2α(15)

然而FSM串聯(lián)個(gè)數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致開斷可靠性降低,因此實(shí)際工程中在保證開斷速度的同時(shí)應(yīng)盡量減少FSM的串聯(lián)個(gè)數(shù)。

2.3 避雷器分步投入分?jǐn)喾椒?

根據(jù)避雷器的保護(hù)原理以及FSM的分?jǐn)嘈阅?本文提出一種避雷器分步投入無弧分?jǐn)喾椒?以4組避雷器的混合式高壓直流斷路器為例,FSM需要達(dá)到的總耐壓水平為4Uvar,設(shè)NT為正整數(shù),其值為1、2、3、4,則具體分?jǐn)噙^程如下：

1）IGBT開關(guān)Tm迅速關(guān)斷,短路電流向主支路轉(zhuǎn)移并持續(xù)增大。

2）在機(jī)械支路電流變?yōu)?之后,機(jī)械開關(guān)K分?jǐn)唷?

3）在機(jī)械開關(guān)K的分?jǐn)嗄蛪核竭_(dá)到NTUvar后,立即關(guān)斷主支路NT組固態(tài)開關(guān),投入并聯(lián)的避雷器。

4）當(dāng)機(jī)械開關(guān)K分?jǐn)嗄蛪核竭_(dá)到4Uvar后,主支路完全關(guān)斷,避雷器全部投入并形成足夠大反電勢(shì),短路電流逐漸降為0,完成分?jǐn)唷?

該分?jǐn)噙^程中,由于各組避雷器投入時(shí)間不完全相同,因此避雷器吸收能量也各有差異。為了*大程度利用避雷器容量,避雷器的投入次序需盡量滿足吸收能量平衡,可利用排序法和固定時(shí)長(zhǎng)法。其中,排序法需將避雷器吸收能量進(jìn)行排序,并將吸收能量*少的NT組避雷器投入;固定時(shí)長(zhǎng)法可預(yù)先計(jì)算避雷器吸收的能量,并以此來預(yù)設(shè)各避雷器的投入次序和時(shí)間,以達(dá)到能量平衡的目的。

3 仿真及算例分析

.典型200kV混合式高壓直流斷路器的簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型如圖2所示,其參數(shù)如表1所示。其中,4組避雷器額定電壓之和為系統(tǒng)電壓200kV,其保護(hù)水平應(yīng)略大于系統(tǒng)電壓的1.5倍,該仿真中耐壓*大值約為350kV;由于選定耐壓水平為50kV的FSM,其個(gè)數(shù)為7,計(jì)入超程距離后,FSM的總耐壓水平*終達(dá)370kV。在該簡(jiǎn)化模型中分別對(duì)高壓直流斷路器常規(guī)分?jǐn)嗪捅芾灼鞣植酵度敕謹(jǐn)噙M(jìn)行仿真分析。

3.1 常規(guī)分?jǐn)?

令直流系統(tǒng)于1s處發(fā)生直流側(cè)短路故障,高壓直流斷路器接收分?jǐn)嘈盘?hào)后進(jìn)行常規(guī)分?jǐn)?則分?jǐn)噙^程中故障電流、開關(guān)電壓以及4組避雷器吸收總能量如圖3所示,其中,Imec為機(jī)械支路電流,Imain為主支路與能量吸收支路電流之和,Ifau為動(dòng)作電流參考值,Umec為機(jī)械開關(guān)耐壓水平,Ub為直流斷路器兩端電壓。因此,直流側(cè)電流為Imec與Imain之和。

由圖3(a)可知,短路故障后約0.7ms后機(jī)械支路電流轉(zhuǎn)移至主支路,機(jī)械開關(guān)開始分?jǐn)?其中,直流斷路器故障判斷及傳感器延時(shí)為0.5ms,IGBT關(guān)斷及電流轉(zhuǎn)移時(shí)間為0.2ms,2ms之后機(jī)械開關(guān)分?jǐn)噙_(dá)到耐壓要求,主支路IGBT關(guān)斷,電流轉(zhuǎn)移至能量吸收回路,電流逐漸降為0,完成分?jǐn)唷?

表1直流斷路器及系統(tǒng)參數(shù)

由圖3(b)可知,電流轉(zhuǎn)移至主支路后,由于主支路IGBT電阻變大以及電流上升,直流斷路器兩端電壓隨之逐漸增大,在主支路IGBT完全關(guān)斷之后,避雷器投入迅速形成反電勢(shì),直流斷路器兩端電壓約達(dá)到350kV并緩慢下降,在避雷器將系統(tǒng)中電抗器等儲(chǔ)能裝置釋放的能量吸收之后,直流斷路器兩端電壓迅速下降并嵌位于200kV左右。

由圖3(c)可知,4組避雷器吸收能量之和約為9097kJ。

直流斷路器兩端電壓由機(jī)械支路中FSM與IGBT共同承受,FSM*初分?jǐn)鄷r(shí),直流斷路器兩端電壓主要由機(jī)械支路IGBT承受;其后,電壓主要施加于FSM兩端。從圖3中可知,直流斷路器兩端電壓在FSM耐壓水平內(nèi),該過程中故障電流峰值約為12.42kA。

3.2避雷器分步投入分?jǐn)?

圖3常規(guī)分?jǐn)?

從系統(tǒng)參數(shù)可知,FSM在2ms需要達(dá)到的耐壓水平為350kV。由于主支路具有導(dǎo)通電阻,直流斷路器兩端在投入第1組避雷器前具有初始電壓。根據(jù)式(14),分別在FSM開始分?jǐn)嘀蟮?.79、1.24、1.64、2ms時(shí)投入1組、2組、3組和4組避雷器。則分?jǐn)噙^程中直流電流、直流斷路器兩端電壓以及4組避雷器吸收總能量如圖4所示。

從圖4中可知,由于主支路具有導(dǎo)通電阻,在投入第1組避雷器前機(jī)械開關(guān)兩端電壓約為9.5kV,直流斷路器兩端電壓分別在約1.0016、1.0021、1.0025和1.0028s處迅速增大為95、180、265、350kV,均在FSM耐壓水平之內(nèi)。該分?jǐn)噙^程中,短路電流峰值約為8.97kA,4組避雷器吸收能量之和約為6154kJ。

根據(jù)圖3和圖4,直流側(cè)故障下,常規(guī)分?jǐn)喾椒ㄅc避雷器分步投入分?jǐn)喾椒ǖ姆謹(jǐn)嘈阅鼙容^如表2所示。

表2 2種分?jǐn)喾椒ǖ男阅鼙容^

圖4避雷器分步投入分?jǐn)?

由仿真分析和比較可知,避雷器分步投入分?jǐn)喾ㄔ跐M足FSM耐壓要求的情況下,降低了故障電流峰值,加快了分?jǐn)嗨俣?降低了直流斷路器中IGBT的應(yīng)力要求,減小了故障電流對(duì)系統(tǒng)中其他關(guān)鍵設(shè)備的電流沖擊,同時(shí)減少了避雷器吸收能量以及沖擊電流熱效應(yīng),延長(zhǎng)了避雷器使用壽命。

4 結(jié)論

1）本文首先對(duì)直流系統(tǒng)的直流側(cè)短路故障以及無弧分?jǐn)喔邏褐绷鲾嗦菲鞣謹(jǐn)嘣磉M(jìn)行了分析,結(jié)果表明,在直流側(cè)短路故障發(fā)生后,避雷器投入時(shí)間越早,故障電流峰值越小,避雷器吸收能量越少。

2）基于氧化鋅避雷器保護(hù)以及FSM分?jǐn)嘣?進(jìn)而提出了高壓直流斷路器的避雷器分步投入分?jǐn)喾椒?該方法具有以下特點(diǎn)：

（1）在滿足FSM耐壓要求的前提下,將各組避雷器分步投入,與常規(guī)分?jǐn)喾椒ㄏ啾?其提前了避雷器的投入時(shí)間。

（2）降低了故障電流峰值大小,減小了直流斷路器以及系統(tǒng)中其他關(guān)鍵設(shè)備所受的電流應(yīng)力。

（3）減少了避雷器吸收能量及沖擊電流熱效應(yīng),延長(zhǎng)了避雷器使用壽命,提升了直流系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。