500_kV直流断路器快速...障特性及可靠性提升方法研究_魏争.pdf

Abstract:DC circuit breaker(DCCB)is an indispensable key equipment for building voltage source converter based high voltage DC(VSC-HVDC)grid.A high-speed mechanical switch(HMS)is the core component of DCCB to carry current,realize fast opening and closing,and withstand opening recovery voltage.HMS has a complex structure,high speed,severe electrical stress,and high-reliability requirements,so its design and development are difficult and any problem in any link of HMS will affect the safe and reliable operation of the DCCB and even the VSC-HVDC grid.However,at present,due to the problems of unreasonable design and selection,lax process control,and imperfect test and assessment,HMS has frequent faults in practical engineering applications of DCCB.The characteristics and causes of typical faults of HMS in the development,commissioning,and operation of 500 kV DCCBs that have been used in the Zhangbei VSC-HVDC grid project are analyzed.On this basis,focusing on the typical faults of HMSs,corresponding reliability improvement methods from the aspects of design and selection,production and manufacturing,test assessment,etc.are proposed,which provides guidance and basis for the design,development,operation,and maintenance of HMSs of 500 kV DCCBs.Keywords:DC circuit breaker;high-speed mechanical switch;typical fault characteristic;reliability improvement method摘 要：直流断路器是构建柔性直流电网不可或缺的关键设备。快速机械开关是直流断路器中承载电流、实现快速分合闸、耐受分闸恢复电压的核心组件，其结构复杂、动作速度快、电气应力严酷、可靠性要求高，因而设计研制难度大，任一环节出现问题均会影响直流断路器乃至柔直电网的安全可靠运行。然而，目前快速机械开关由于存在设计选型不合理、工艺管控不严格、试验考核不完善等问题，导致在实际工程应用中故障率较高。针对已应用于张北柔性直流电网试验示范工程的500 kV直流断路器，分析了直流断路器研制、调试、运行过程中快速机械开关典型故障的特性及原因。在此基础上，围绕快速机械开关典型故障从设计选型、生产制造、试验考核等方面入手，有针对性地提出可靠性提升措施，为500 kV 直流断路器快速机械开关设计研制和运维检修提供了指导和依据。关键词：直流断路器；快速机械开关；典型故障特性；可靠性提升措施0 引言柔性直流电网不仅继承了柔性直流输电技术可控性及灵活性强、可不依赖交流电网强弱独立运行、新能源接入友好等优势，还可实现多电源供电和多落点受电，通路冗余性强，是构建新型电力系统的重要途径1-5。直流断路器（DC circuit breaker，DCCB）能够快速开断直流短路电流，选择性隔离故障元件，是突破柔直电网直流侧故障处理难题的有效技术手段，因此成为构建柔直电网不可或缺的核心设备6-9。而快速机械开关（high-speed mechanical switch，HMS）是直500 kV 直流断路器快速机械开关典型故障特性及可靠性提升方法研究魏争1*，文卫兵1，杨勇1，张涛1，陈争光2（1国网经济技术研究院有限公司，北京市 昌平区 102209；2国家电网有限公司，北京市 西城区 100031）Research on Typical Fault Characteristics and Reliability Improvement Methods of High-speed Mechanical Switch Used in 500 kV DC Circuit Breaker WEI Zheng1*,WEN Weibing1,YANG Yong1,ZHANG Tao1,CHEN Zhengguang2(1.State Grid Economic and Technological Research Institute Co.,Ltd.,Changping District,Beijing 102209,China;2.State Grid Corporation of China,Xicheng District,Beijing 100031,China)基金项目：国家电网公司总部科技项目（柔直电网直流断路器可靠性提升关键技术研究及工程应用，5500-202256391A-2-0-ZN）。Science and Technology Foundation of SGCC(5500-202256391A-2-0-ZN).全球能源互联网Journal of Global Energy Interconnection第 6 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.6 No.1Jan.2023文章编号：2096-5125(2023)01-0054-10 中图分类号：TM561 文献标志码：ADOI：10.19705/ki.issn2096-5125.2023.01.006Vol.6 No.1 魏争，等：500 kV 直流断路器快速机械开关典型故障特性及可靠性提升方法研究 55流断路器中承载稳态和暂态电流、实现快速分合闸、耐受分闸恢复电压的核心组件，其任一环节出现问题均可能导致直流断路器故障、失灵，甚至损坏，并可能间接造成柔直电网停运。相比于普通交流断路器等常规机械开关，直流断路器快速机械开关具有结构复杂、动作速度快、电气应力严酷、串联一致性和动作可靠性要求高等特点，设计研制难度大10。因存在设计选型不合理、工艺管控不严格、试验考核不完善等问题，导致快速机械开关在实际工程应用中故障率较高，成为直流断路器故障率最高的组部件之一。由于高压直流断路器技术较新，已有关于直流断路器的研究大多聚焦于设备拓扑结构、参数设计、试验方法等方面11-19，而对于直流断路器故障特性、质量管控和可靠性的研究相对较少。国外目前尚无高压直流断路器工程应用，未见其可靠性提升相关研究。国内研究机构针对直流断路器可靠性设计和质量提升方法的研究主要围绕避雷器和供能系统等组部件20-25，鲜有涉及快速机械开关。已有针对直流断路器快速机械开关的研究主要聚焦于操作机构的设计26-31，尚无针对快速机械开关可靠性提升的相关研究。此外，直流断路器快速机械开关试验考核方法多借鉴交流断路器等其他设备的标准，适用性和针对性较低，难以有效发现直流断路器快速机械开关的设计质量缺陷。因此，亟需开展针对该设备的可靠性提升方法研究。为解决上述问题，本文针对已应用于张北柔性直流电网试验示范工程（以下简称为张北工程）的500 kV 直流断路器，分析快速机械开关技术特点，梳理直流断路器研制、调试、运行过程中快速机械开关发生的典型故障，分析故障特性及原因。在此基础上，围绕典型故障，从设计选型、生产制造、试验考核等方面入手，有针对性地提出快速机械开关可靠性提升措施，为500 kV直流断路器快速机械开关设计研制和运维检修提供指导和依据。1 直流断路器技术路线及结构原理目前，已投入工程应用的500 kV直流断路器主要包含混合式、负压耦合式和机械式三种技术路线，其拓扑结构如图1所示，主要区别在于：混合式直流断路器主支路配有少量电力电子开关；负压耦合式直流断路器转移支路配有负压耦合装置；机械式直流断路器转移支路配置储能电容和振荡电感。每种技术路线直流断路器均由主支路、转移支路和耗能支路三个并联部分组成，通过三个支路按照设定时序完成内部换流，实现直流电流的开断。快速机械开关主支路电力电子开关转移支路电力电子开关MOVMOVMOV 转移支路电力电子开关快速机械开关+负压耦合电路MOVMOVMOV（a）混合式直流断路器 （b）负压耦合式直流断路器快速机械开关转移支路触发开关振荡电感储能电容MOVMOVMOV（c）机械式直流断路器图 1 直流断路器拓扑结构Fig.1 Topological structure of DCCBs混合式直流断路器分闸时的电流和电压波形示意图如图2所示。t0时刻故障发生，随后主支路承受故障电流；t1时刻直流断路器收到分闸指令，主支路电力电子开关闭锁，电流快速向转移支路转换，并于t2时刻完成换流；随后快速机械开关零电压零电流无弧分闸，同时转移支路承担故障电流；t3时刻快速机械开关达到有效开距，转移支路电力电子开关闭锁，直流断路器完成开断动作，随后恢复电压快速建立，该电压施加于快速机械开关两端；当恢复电压达到避雷器（MOV）动作电压时，电流快速向耗能支路转换，于t4时刻完成换流，最终避雷器将电流从峰值ip限制到零。负压耦合式、机械式直流断路器开断原理与混合t0t1t2tt3i1:主支路电流i2:转移支路电流i3:耗能支路电流i1i2i3ipuu:端间电压u暂态分断电压建立t4t5主支路-转移支路电流换流转移支路-耗能支路电流换流短路故障发生避雷器吸收能量主支路快速开关分断i图 2 混合式直流断路器分闸时电流和电压波形示意图Fig.2 Waveform diagram of current of each branch and voltage during opening of hybrid DCCB56 全球能源互联网 第 6 卷 第 1 期式直流断路器的主要区别在于主支路换流方式不同。负压耦合式直流断路器接到开断指令后，快速机械开关直接有弧分闸，随后负压耦合装置产生反向电流，使快速机械开关电流快速过零熄弧，电流转入转移支路，后续步骤与混合式直流断路器相同。机械式直流断路器收到分闸指令后，快速机械开关直接有弧分闸，在达到有效开距后，转移支路触发开关导通，储能电容放电产生高频振荡电流并与主支路故障电流叠加，使主支路电流过零熄弧，电流转入转移支路，并对转移支路电容充电，恢复电压建立并施加于快速机械开关两端，后续步骤与混合式直流断路器相同。2 快速机械开关结构原理及特点2.1 快速机械开关结构原理张北工程500 kV直流断路器快速机械开关分闸后，端间需要耐受高达800 kV的暂态恢复电压。为此，快速机械开关需要采用多断口串联方式，实现高耐压能力。不同技术路线500 kV直流断路器的快速机械开关断口串联数为812个不等。每个机械开关断口包含真空灭弧室、操作机构、均压设备、储能及控制单元、供能系统等组件，如图3所示。各部分均布置于直流高电