直流开关设备在换流站中的应用

古王荣，王浩

(1.西安西电高压开关有限责任公司 陕西 西安 710077；2.西安西电电力系统有限责任公司,陕西 西安 710077)

直流开关设备在换流站中的应用

古王荣1，王浩2

(1.西安西电高压开关有限责任公司 陕西 西安 710077；2.西安西电电力系统有限责任公司,陕西 西安 710077)

为了适应直流输电的快速发展，设计开发了相应的直流转换开关和直流旁路开关设备，目前已经在国内大量应用。本文介绍了这种直流开关设备的工作原理、结构参数及应用等有关内容，该产品的开发及应用将为我国直流输电的发展做出重大贡献。

直流输电；直流转换开关；直流旁路开关

1 引言

近年来，高压直流输电技术在世界范围内得到了广泛应用,在此基础上进一步发展的特高压直流输电工程，目前也已经成功投产，稳定运行。

直流输电和传统的交流输电相比，具有以下优点：①直流输电架空线路只需正负两极导线、杆塔结构简单、线路造价低、损耗小；②直流电缆线路输送容量大、造价低、损耗小、不易老化、寿命长，切输送距离不受限；③直流输电不存在交流输电的不稳定性问题，直流输电线路无电容充电电流，直流线路无电容充电电流，电压分布平稳，负载大小不发生电压异常不需并联电抗。并且调节速度快，运行可靠，有利于远距离大容量送电；④直流输电有利于实现电力系统之间的联网；⑤直流输电有功功率和无功功率容易控制，可以改善交流系统的运行性能；⑥可以利用大地为回路，提高运行可靠性；⑦直流输电可以方便的分期建设和增容，有利发挥投资效益。

虽然直流输电在我国发展较晚，但因为其特有的优点，受到国家的大力支持，使其发展迅猛，并且电压等级也逐渐提高，现已达到国际领先水平。在开始阶段直流开关设备主要依靠进口，根据国家要求关键设备国产化的要求，国内厂家也积极开发同类产品，但是由于开发难度大、投资大，国内只有较少厂家能够生产该类产品，依托西电集团公司在电力行业强大技术优势和制造基础，西安西电高压开关有限责任公司(以下简称西开有限公司)最早在国内开发和制造直流转化开关和旁路开关的厂家，并且生产的产品在国内的换流站中大量应用。

2 直流转换开关

高压直流输电系统中，一般配置有4 种高压直流转换开关，分别是金属回线转换开关(metallic return transfer breaker，MRTB)、大地回线转换开关(earth return transfer breaker，ERTB)、中性母线开关(neutral bus switch，NBS)和中性母线接地开关(neutral bus grounding switch，NBGS)。

图1 转换开关在高压直流输电中的位置

其中，MRTB将直流电流从大地回路转换到金属回线通路的开关设备，ERTB将直流电流从金属回线通路转换到大地回路通路的开关设备，NBS安装在换流站站内接地线上，用于把停运的换流桥与中性母线断开的开关设备，NBS还应把直流极线故障所产生的故障电流转换到由接地极及其引线构成的回路中。NBGS安装在换流站站内接地线上，用于提供站内临时接地的设备，NBGS最重要的作用是最为一个快速合闸开关；另外在NBS转换失败(开断不成功)时，NBGS也可提供暂时的大地回路通路。

2.1 运行方式转换

(1)正常双极运行时，双极两端中性点接地，NBS11、NBS12、NBS21、NBS22、MRTB闭合,ERTB、NBGS11、NBGS12断开,电流回路见图2，直流电流的路径为正负两根导线，电流方向相反，双极对称运行时，接地极中无电流流过，双极不对称运行时，两极中的电流不相等，接地极中电流为两极电流之差。

图2 双极两端中性点接地运行方式

(2)当换流阀V13、V14出现故障或需要检修时，NBS12、 NBS22、S16、S26断开，把停运的换流桥与中性母线断开,转入单极大地回线运行方式，电流回路见图3。

(3)单极大地回线运行方式转为单极金属回线运行方式。

①由于单极大地回线运行方式会对接地极对附近金属构件产生电化学腐蚀作用，一般情况下，不能长期运行，需要转换为单极金属回线运行方式，按顺序打开S18、S28，闭合S17、S27、S15、S25、ERTB,使极Ⅱ导线和大地回线并联连接，此时并联回路中的电流和电阻呈反比，电流回路见图4。

图3 单极大地回线运行方式

图4 大地回线和金属回线并联运行

②断开MRTB、S13、S23,将大地回线中的电流转移到金属回线中，电流回路见图5。

图5 单极金属回线运行方式

(4)单极金属回路运行方式转为双极两端中性点接地运行方式

在V13、V14换流阀检修完成后，需要从金属回路运行方式转为正常运行方式，该运行方式的转换和双极两端中性点接地运行方式转为金属回线运行方式的操作过程相反。先闭合S13、S23、MRTB，电流回路见图4,打开ERTB、S15、S25、S17、S27，闭合S18、S28，电流回路见图3,闭合S16、S26、NBS12、NBS12，电流回路见图2，转换到双极两端中性点接地运行方式。

MRTB 和ERTB均为转换开关，但与通常的运行条件有所不同，它断开直流电流的过程在两各带线的并联回路中，将一个回路断开，使其电流全部转移到另一回路的过程。通常大地回路的电阻很小，金属回路的电阻取决于输电线路导线的截面和长度。因此MRTB因其回路电阻小而需要开断较大的直流电流，而GRTS因其回路电阻大，需要开断的直流电流较小。

2.2 直流转换开关与直流电流的分断

目前，应用在高压直流输电系统中的直流转换开关主要采用两种方式来实现，即无源型自激振荡过零和有源型强迫振荡过零。相比之下，有源型直流转换开关更容易分断较大的直流电流，但无源型直流转换开关结构更为紧凑，造价较低，易于使用和维护，可靠性高，因此更具优势。

无源型直流转换开关的基本构成如图6所示。

图6 无源型直流转换开关电路图

图6中,B 为高压交流SF6断路器，L 为电抗器，C 为电容器，三者共同组成振荡回路；MOA为ZnO 避雷器，用以限制开关两端的过电压。无源叠加震荡方式是利用电弧电压随电流增加而下降的非线性负电阻效应，在与电弧间隙并联的LC回路中产生自激震荡，使电弧电流叠加上增幅震荡电流，当总电流过零时开断。

2.3 主要技术参数

根据我国的直流电网布置，西开公司目前主要有两种直流转换开关，±50kV、±100kV、±150kV产品，±50kV直流转换开关主要用于±500kV及以下换流站，±100kV/150kV直流转换开关主要用于±800kV及以上换流站。

表1 主要参数

2.4 产品结构

为了实现转换电流的功能，MRTB,NBS,GRTS产品功能接近，所以结构也类似，主要由开断装置和震荡回路组成，开断装置为了提高开断性能，一般采用双断口结构，震荡回路中的电抗器、电容器、避雷器的数量和参数根据实际回路需要配置，在实际工程应用中有些差异。

1-开断装置;2-绝缘平台;3-电抗器;4-电容器;5-避雷器图7 ZZLW1-50直流转换开关MRTB

1-开断装置;2-绝缘平台;3-电抗器;4-电容器;5-避雷器图8 ZZLW2-100直流转换开关MRTB

NBGS是为了实现快速接地功能，所以结构比较简单，特别要求合闸速度快，合闸时间短。

2.5 产品应用

ZZLW1-50直流转换开关是我国最早自主研发的直流转换开关设备，该产品在国内±500kV直流换流站应用较广泛，包括在我国第一条运行的±500换流站葛-南线的葛洲坝换流站；随后又自主设计开发的ZZLW2-100直流转换开关，目前在新建的±800浙-溪线的金华站换流站也有应用。

1-灭弧室;2-支柱;3-机构及底架 图9 ZZLW2-100直流转换开关NBGS

图10 葛洲坝站 ZZLW1-50直流转换开关(MRTB)

图11 葛洲坝站 ZZLW1-50直流转换开关(ERTB)

图12 拉萨站 ZZLW1-50 直流转换开关(NBS)

图13 金华站的ZZLW2-100直流转换开关NBGS

图14 ZZLW2-100直流转换开关(MRTB)

3 直流旁路开关

3.1 直流旁路开关的作用

在特高压直流系统中，旁路开关有以下两个主要作用：退出正在运行的12P 换流桥，且不影响剩余换流桥的正常运行;将闭锁的12P 换流桥重新投入运行，且不影响已经投运的换流桥的正常功率输送。

图15 旁路开关在直流系统的位置

由此可知，旁路开关的使用增加了特高压直流系统的运行方式，减少了任何一个单极完全停运的次数，从而提高了直流输电系统的可靠性和能量可利用率。

当旁路开关所并联的12P换流桥正常运行时，旁路开关处于分闸状态，当12P换流桥或附属系统发生故障，或者由于计划检修的需要，通过旁路开关和相关隔离开关的配合操作，将此12P换流桥和对站的一个12P换流桥退出运行，以便对需要检修的换流桥隔离，同时保证本极健全的12P换流桥继续运行。当换流桥修复完成后，再通过旁路开关和相关隔离开关的操作，使两站的两个12P换流桥重新投入运行。

对于双极额定直流功率运行工况，如果未安装旁路开关，当一个12P换流桥因故障或检修退出运行时，该换流桥所在的整个单极将会停运，直流功率损失为50%。

3.2 操作时序

直流旁路开关实现上述两个作用，需完成以下操作时序。

(1)旁路开关合闸，使并联的正常运行的12P换流桥闭锁退出运行。初始状态见图16，旁路开关在分闸状态，电流仅流过换流桥。由于故障或检修需要，投旁通对闭锁12P 换流桥，旁路开关合闸，此时系统状态见图17，直流电流同时流过换流桥和旁路开关。闭锁旁通对的触发脉冲，直流电流仅流过旁路开关支路，系统状态见图18。依次合S1、分旁路开关、分S2 和S3，此时系统状态见图19。旁路开关合闸、退出换流桥的操作时序过程中，系统状态变化依次为：图12→图13→图14→图15。

图16 直流电流仅流过换流阀

图17 直流电流同时流过换流阀和旁路开关

图18 直流电流仅流过旁路开关

图19 直流电流仅流过隔离开关S1

图中：S1、S2、S3 为隔离开关，BPS12 为旁路开关。

(2)旁路开关分闸，使并联的处于闭锁状态的12P换流桥解锁重新投入运行。12P换流桥在闭锁状态，电流流过S1支路，系统状态见图19。S2和S3合闸，然后旁路开关合闸，S1分闸，直流电流流过旁路开关，系统状态见图18。12P换流桥解锁，直流电流同时流过换流阀和旁路开关，系统状态见图17。给旁路开关发分闸指令，旁路开关在电流过零时刻熄弧，开断成功，系统状态见图16。旁路开关分闸，使处于闭锁状态的12P换流桥解锁重新投入运行的过程中，系统状态变化状态依次为：图15→图14→图13→图12。

3.3 主要技术参数

前西开有限公司已经开发完成的旁路开关产品有ZPLW-816、ZPLW-408、ZPLW-1100、ZPLW-550。

表2 技术参数

3.4 产品结构及外形

直流转换开关的主要特点是通流能力大，合闸速度快，所以需要对机构及传动特殊设计，产品一般采用双断口结构的柱式断路器。

1-灭弧室;2-支柱;3-机构及底架图20 ZZLW-816直流旁路开关

图21 ZPLW-1100kV直流旁路开关

图22 ZPLW-816kV直流旁路开关

4 结语

直流转换开关和直流旁路开关是特高压直流输电系统中的关键设备之一，主要用于进行直流输电系统各种运行方式及接地系统的转换等，在保证直流输电系统安全稳定运行中发挥着重要作用。直流输电特有的优势，使得直流输电发展迅速，直流开关设备也有比较好的前景。

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Application of DC Switchgear in the Convertor Station

GU Wang-rong1,WANG Hao2

(1.Xi′an XD High Voltage Switch,Co,Ltd,Xi′an 710077,China;2.Xi′an XD Power System Co.,Ltd.,Xi′an 710077,China)

In order to suit rapid development of DC transmission,design and develop corresponding DC change-over switch and DC bypass switchgear.At present, they have been used in our country.The paper presents the operation principle of this kind of switchgear,constructure parameters and application.The devecopment and application of the product will contribute to our DC transmission.

DC transimission;DC change-over switch;DC bypass switch

1004-289X(2017)01-0079-06

TM72

B

2015-11-25