多端柔性直流电网中机械式直流断路器的操作过电压分析_谭喆.pdf

多端柔性直流电网中机械式直流断路器的操作过电压分析谭喆1，高翔2，陈锐3，李佳尧2，刘禹涵2，史宗谦2（1.广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海519000；2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安710049；3.广东电科院能源技术有限责任公司，广州510080）摘要：随着风能、太阳能等可再生清洁能源的大规模应用以及柔性直流输电技术的进步，多端柔性直流电网得到迅速发展。作为保障柔性直流电网安全可靠运行的关键设备，直流断路器也受到了越来越多的关注。直流断路器能够快速切断故障电流，但同时也会产生操作过电压，这可能会危害系统的正常运行，因此文中对多端柔性直流电网中直流断路器的操作过电压进行分析。首先对几种直流断路器产生操作过电压的原理进行简要分析，之后以基于强迫过零的机械式直流断路器为例对各种情况下断路器操作过电压对于系统的影响进行详细分析，最后对分析结果进行了总结。关键词：多端柔性直流电网；直流断路器；操作过电压Operating Overvoltage Analysis of Mechanical DC Circuit Breaker in MultiterminalFlexible DC NetworkTAN Zhe1，GAO Xiang2，CHENG Rui3，LI Jiayao2，LIU Yuhan2，SHI Zongqian2（1.Zhuhai Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Corporation，Guangdong Zhuhai 519000，China；2.State Key Laboratory ofElectrical Insulation and Power Equipment，Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China；3.Guangdong Diankeyuan EnergyTechnology Co.，Ltd.，Guangzhou 510080，China）Abstract:With the largescale application of such renewable clean energy as wind and solar power as well as the development of flexible DC transmission technology，multiterminal flexible DC network has been developed rapidly.DC circuit breaker，as the key equipment to ensure safe and reliable operation of the flexible DC network，also receives more and more attention.The DC circuit breaker can cut off fault current quickly and can，at the same time，also produce switching overvoltage which may compromise normal operation of the network.Therefore，the switchingovervoltage of DC circuit breaker in multiterminal flexible DC network is analyzed in this paper.First，the principleof switching overvoltage generated by several kinds of DC circuit breakers is simply analyzed.Then，the mechanicalDC circuit breaker based on forced current zero is taken as an example to analyze in detail the influence of switchingovervoltage of circuit breaker on the system at various conditions.Finally，the analysis results are summarized.Key words:multiterminal flexible DC network；DC circuit breakers；switching overvoltage0引言随着传统化石能源的日益短缺和全球环境问题的愈发严峻，各个国家迫切要求优化能源结构，风能、太阳能等可再生清洁能源的开发与利用已经成为各国关注的焦点1，但上述清洁能源属于间歇式电源，具有随机性和不可预测性的特点，如果要接入交流电网需要经过DC/AC变换，这就会降低系统的运行可靠性。因此经济性更强、可靠性更高，并且能够实现可再生能源等分布式电源大规模并网的多端柔性直流电网2-3逐渐成为各国研究和应用的热点。第59卷第2期：003100362023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：00310036Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.005_收稿日期：20220509；修回日期：202207192023年2月第59卷第2期随着多端柔性直流电网的不断发展，其在安全运行方面也面临着越来越多的挑战，特别是在发生短路故障时，由于直流侧阻抗很小，短路电流上升速度快，如果不能及时切除短路故障，会导致换流阀闭锁，交流侧进线断路器断开，这样会导致整个换流站停运，降低电网系统的供电可靠性4-6，因此就需要高速、可靠的直流断路器能在短时间内切除故障，保障系统的安全运行7。但是，直流断路器在开断电流的过程中会产生操作过电压8-11，在特殊情况下，直流断路器的操作过电压会与系统电压叠加，使线路上产生过电压，可能会对换流阀等其他设备造成损坏，影响系统的稳定运行。针对以上情况，文中对多端柔性直流电网中直流断路器可能产生的操作过电压及其影响进行分析。首先，对直流断路器产生操作过电压的原理进行简要分析，之后以基于强迫过零的机械式直流断路器为例，对各种情况下直流断路器操作过电压对于系统的影响进行详细分析，并对分析结果进行总结。1直流断路器操作过电压原理分析目前，直流断路器主要包括基于强迫过零的机械式直流断路器、基于自激振荡的机械式直流断路器、固态直流断路器以及混合式直流断路器12-15，见图1-4。图1基于强迫过零的机械式直流断路器拓扑结构Fig.1Topology of mechanical DC circuit breaker basedon the forced current zero principle图2基于自激振荡的机械式直流断路器拓扑结构Fig.2Topology of mechanical DC circuit breaker basedon the selfexcited oscillation principle基于强迫过零的机械式直流断路器在开断时利用换流支路向载流支路注入反向振荡电流，从而创造电流过零点，以此进行开断16，在电流完全从载流支路转移至换流支路后，外部线路电流会给换流电容 C 充电，电容电压迅速上升，最终由避雷器MOV限制，由此产生操作过电压。基于自激振荡的机械式直流断路器在开断时利用主断路器MCB(气体断路器)断开后产生的电弧的不稳定性和负的伏安特性使载流支路与换流支路之间产生高频振荡创造过零点，之后与强迫过零法类似，外部线路给电容C充电，并由MOV限制，产生操作过电压17。固态直流断路器中，在载流支路的电力电子器件IGBT闭锁后，其中电流转移至缓冲均压支路，向缓冲电容Cs充电，电容电压迅速上升，在电压达到避雷器参考电压时避雷器动作并限制电压，此电压即为操作过电压18-19。混合式直流断路器中的电流在载流支路的IGBT闭锁后转移至转移支路，电流完全流过转移支路后高速隔离开关D断开，之后与固态断路器类似，在转移支路IGBT闭锁后，电流向缓冲均压支路转移，同时给缓冲电容Cs充电，最终由MOV限制，由此产生操作过电压20。2直流断路器操作过电压对系统影响分析为分析直流断路器操作过电压对系统产生的影响，文中建立三端柔性直流电网简化模型，见图5。三端柔性直流电网包含、3个换流站，换流站之间通过形回路并联，每条线路上都存在DCCB以保护系统，A1、A2、B1、B2、C1、C2是电压电流测量设备所在位置，其中A1、B1、C1靠近换流站，A1、图3固态直流断路器拓扑结构Fig.3Topology of solid state DC circuit breaker图4混合式直流断路器拓扑结构Fig.4Topology of hybrid DC circuit breaker32B1、C1与阀之间存在限流电抗器，A2、B2、C2靠近形回路。另外，中国已经建立的多端柔性直流输电系统如南澳160 kV三端柔性直流输电工程、珠海多端交直流混合柔性配网互联工程多为伪双极系统，因此假设图5中三端柔性直流电网为伪双极系统，并在此基础上进行分析。文中以DCCB A为例对直流断路器的操作过电压对于系统产生的影响进行分析，并假设DCCB A采用可双向开断的基于强迫过零的机械式直流断路器，其示意图见图6，电流电压方向均为参考方向。图6DCCB A示意图Fig.6Schematic diagram of DCCB A图6中：VCB为主断路器；BCB为辅助断路器；MOV为避雷器，S、L、C分别为换流开关、换流电抗、换流电容；换流电容预充电电压为+Uc0；如图6所示方向，Cg1+、Cg1-、Cg2+、Cg2-则为线路对地寄生电容；is+为正极线路电流；is-为负极线路电流，且正常情况下UA1+=-UA1-=Us。2.1双极短路时操作过电压影响分析2.1.1A1处发生双极短路故障在A1+与A1-之间双极短路的情况下，系统将向故障点注入短路电流，因此图6中is+、is-反向，DCCB A+与DCCB A-都进行逆向开断，正负极开断结果基本相同，以正极为例，开断结果见图7。开断短路时，首先换流站闭锁，退出电网，之后DCCB A+动作，令VCB+触头分开，待触头达到合适开距时闭合换流开关S+，换流电容C+投入反向电流，待VCB+电流过零时，VCB+断开，之后电流完全转移至换流支路，并给电容C+充电，待电容电压上升至避雷器参考电压时，避雷器动作，并将电压限制为残压Uam，之后避雷器截止后，系统通过换流支路继续振荡，直到BCB+将线路断开。图7中：t1为短路开始时刻；t2为换流开关闭合时刻；t3为BCB+断开时刻。根据仿真结果可以看到，在A1+与A1-间发生双极短路后，DCCB A+动作，DCCB A+中换流电容电压Uc+迅速上升，在BCB+断开时换流电容电压可能仅略小于避雷器残压Uam。为便于分析，假设BCB+断开时Uc+Uam，并且假设在A1处发生双极短路的情况下，UA1+=UA1-=0，同时，由于避雷器截止后线路电流值较小且振荡频率低，线路压降及换流电抗压降较小，可忽略不计，因此在 BCB+断开时，UA2+UA1+UHG=UA1+Uc+=Uc+Uam。另外，由于线路存在对地寄生电容，且电容值很小，因此A2+处对地寄生电容电压UCg2+也会几乎同步达到UA2+。在BCB+断开后，对地寄生电容Cg2+只能通过带电显示器等高阻抗设备形成放电回路，时间常数较大，放电较慢，将在较长一段时间里使 A2+处电压维持在 Uam左右。同理，DCCB A-也会使A2-处产生-Uam的电压。为保护电网的稳定运行，避雷器的残压一般会选择1.5倍左右的系统电压Us，即Uam1.5Us。另外，为保护换流阀、电子变压器等设备，电网的控