直流断路器在特高压直流输电中的应用

赵宏达

直流断路器在保证特高压直流输电系统的持续正常运行中具有不可忽视的重要作用，但是当前的直流断路器在开断中存在一些难以攻克的技术问题。本文从直流断路器的基本原理出发，对其开断中存在的技术问题进行简单介绍，随后对其在特高压直流输电工程应用的配置原则以及运行方式的变换进行了详细介绍，最后对其具体应用进行简单阐述。

【关键词】直流断路器 特高压直流输电 配置原则 运行方式 应用

直流断路器具有较好的限流性能，能准确保护继电保护、自动装置免受过载、短路等故障危害。直流断路器是特高压直流输电换流站系统中的重要电气设备，处于换流系统直流输送环节，保证在系统出现问题时，能够及时进行系统结构的变换，不影响供电系统的持续安稳运作。下文将对直流断路器的一些基本原理和技术问题进行介绍，并对其在特高压直流输电中的应用原则等进行阐述。

1 直流断路器的基本原理

直流断路器采用特殊的灭弧、限流系统，可迅速分断直流配电系统的故障电流，使级差配合得到很大的提高。根据组成结构的差异，直流断路器可分为无源型和有源型两种类型，组成结构如图1所示。其中，无源型直流断路器主要用于中等幅值直流电流的转换，有源型直流断路器则应用于幅值较大的直流电流的转换中。

像图1，无源直流断路器电路中有电抗器（L）、避雷器（R）、电容器（C）和断路器（B）各1个，相对于有源直流断路器来说，其少了一个直流充电装置 （Udc）和隔离开关（S1）。

在无源辅助电路直流断路器中，分开断路器的触头，电弧会使得L-C支路和SF6断路器所形成环路激发产生谐振电流。一般来说，在有源辅助电路直流断路器中，一开始并没有断路器连接电容器，只是通过通电器充电，使电容器形成一定直流电压。在分离断路器触头后，将隔离开关S1合上，将断路器和预充电电容器连接，从而产生振荡电流，使得断路器的断口电流过零点，从而熄灭断口间电弧。无论是有源还是无源辅助断路器，熄灭电弧后其具有一致的工作原理。通常情况下，熄灭SF6断路器电弧之前，会产生高达数千赫兹的高频率振荡电流，具有很短的电流峰值时间。

2 直流断路器开断问题及解决方案

2.1 存在的问题分析

主要有三个问题一直困扰着直流断路器开断：首先是产生过电压。直流系统中存在像滤波装置、对地电容、导线线间电容、平波电抗器、过电压波吸收电容器等电容电感元件，一旦系统操作或出现障碍，那么系统工作条件及参数也会相应发生改变，就会导致电感和电容之间进行电磁能量振荡，从而产生系统内部过电压问题。其次是释放巨大的能量问题。断开触电时，在回路中储存的磁场能量，会在直流断路器开断时释放，这一直是难以解决的技术问题。最后是无过零点的问题。交流系统断路器电弧的熄灭一般是通过每个周期中交流电流的两个电流零点来进行，在这个过程中，也会促进弧隙介质介电强度的恢复，从而有利于灭弧工作的开展。因为直流电流无电流零点，是一个定值，因此要熄灭直流电弧，一般要采用交流电流过零来实现。

2.2 方案分析

2.2.1 第一：采用自激振荡

所谓自激振荡，主要是借助电弧不稳定性及负电阻性，在跟开断弧间隙并联的电感和电容串联的回路中，激发递增自激振荡，从而增加直流电流中的振荡流，借助电流过零的时候，将电路开断。采用这种形式，可以将电路开断分为三个过程：

（1）第一个过程是迫使电流过零。

（2）第二个过程是恢复介质。

（3）第三个过程是吸收能量。直流断路器介质恢复特点跟交流断路器不一样，其具有高频介质恢复特点。采用自激型高压直流断路器，不仅简单，且可靠，其无需任何控制系统和辅助设备。

2.2.2 第二，采用它激振荡

跟自激振荡类似，它激振荡也是用相似的并联辅助回路，不同的是，其回路电容会进行预充电。采用充电装置在断路器合闸时，对电容进行预充，使其具备一定电压。断路器收到跳闸命令之后，其触头分开，合上开头，这时候，投入使用并联回路，断路器通过的正向电流和电容放电产生的反向电流之间进行叠加，从而出现一个变化电流。如果断路器实现额定开距，那么变化电流在到达电流零点的时候会使电弧熄灭，从而将电流开断。因为电路在投入使用后，短时间内会出现变换电流，并且到达电流零点，这时候断路器的触头跟额定开距还有一定的差距，导致无法将电弧熄灭，而在达到额定开距之后，电流过零熄灭电弧，实现截流。

3 在特高压直流开关中设备配置需要注意的问题

特高压直流输电工程常采用双极系统接线方式。可根据实际情况，通过以下几种断路器来实现正常运行。直流开关设备操作时，也能保障检修隔离、切除运行故障，有利于提高系统运行可用率和灵活性。

3.1 金属回线转换断路器

其一般设置在接地极线回路中，从而从单极大地回线将直流电流转换到单极金属回线中，确保直流功率在转换过程不出现输送中断的现象。如果直流功率输送可中断，那么可以不设置金属回线转换断路器。值得注意的是，金属回线转换断路器必须跟大地回线转换开关联合使用。大地回线转换开关在合闸之后，执行金属回线转换断路器动作，并建立两个并联回路，分流直流电流，稳态到达后，金属回线转换断路器动作执行转换电流的操作，成功后，和金属回线转换断路器串联的隔离开关会被断开，这样金属回线转换断路器便不需要承受持续电压。

3.2 大地回线转换开关

大地回线转换开关一般设置在接地极线之间，主要是在不停运时，直接从单极金属回线将直流电流转换到单极大地回线。在大地回线转换开关动作前，金属回线转换断路器先合闸，建立并联的金属回路和大地回路，分流直流电流，在稳态时，大地回线转换开关开始动作，实现电流转换，转换后，跟大地回线转换开关串联的隔离开关会断开，这样大地回线转换开关便不需要承受持续电压。endprint

3.3 中性母线断路器

如果单极计划停止运行，换流器会在无投旁通对的时候闭锁，直流电流达到零，中性母线断路器在无电流时分闸，这是换流器内发生接地故障除外各种类型故障时，采用中性母线断路器进行隔离的正常运行程序。如果正常双极运行，只要某一极内产生接地故障，那么可以通过中性母线断路器，将注入接地故障点的正常极直流电流，转换到接地线路中。

3.4 双极运行中性线临时接地开关

该开关设置在换流站和中性线接地网之间，如果断开接地极线路，那么由于电流不平衡，会导致中性母线升高电压，为了避免出现双极闭锁，将高压直流输电系统稳定性提高，可以采用双极运行中性线临时接地开关合闸，来连接大地和重型母线，确保双极运行，提高系统可用度。当故障导致接地引线断开时，中性母线的电压也无法控制，这时候双极运行中性线临时接地开关合闸可以将系统转化为站内接地，并确保中性母线电压变为零电位。接地引线可以正常运行之后，打开双极运行中性线临时接地开关，将电流转换到接地引线回路。

4 大地和金属回路转换过程

4.1 大地转金属回路

将金属回线转换断路器和两端刀闸合上，然后将跟金属回线转换断路器并联的刀闸断开，再将大地回线转换开关和两端刀闸以及至极2刀闸合上，并联运行金属回路和单极大地，最后将金属回线转换断路器断开，实现转换。

4.2 金属转大地回路

将金属回线转换断路器和两端刀闸合上，然后将跟金属回线转换断路器并联的刀闸合上，并联运行金属回路和单极大地，再将大地回线转换开关和两端刀闸以及至极2刀闸断开，最后将金属回线转换断路器和两端刀闸断开，实现转换。

5 结语

目前，特高压直流输电方式在我国一般采取双端网络模式，存在传输方式单一的缺陷，如果有比较合适的特高压直流断路器，则有利于建立起安全可靠的直流多站系统以及系统之间的联系，促使直流系统调节手段更加可靠，运行方式更加灵活。

（指导教师：赵乘麟）

参考文献

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作者单位

邵阳学院 湖南省邵阳市 422000endprint