直流開關(guān)設(shè)備在換流站中的應(yīng)用

古王榮，王浩

(1.西安西電高壓開關(guān)有限責任公司 陜西 西安 710077；2.西安西電電力系統(tǒng)有限責任公司,陜西 西安 710077)

直流開關(guān)設(shè)備在換流站中的應(yīng)用

古王榮1，王浩2

(1.西安西電高壓開關(guān)有限責任公司 陜西 西安 710077；2.西安西電電力系統(tǒng)有限責任公司,陜西 西安 710077)

為了適應(yīng)直流輸電的快速發(fā)展，設(shè)計開發(fā)了相應(yīng)的直流轉(zhuǎn)換開關(guān)和直流旁路開關(guān)設(shè)備，目前已經(jīng)在國內(nèi)大量應(yīng)用。本文介紹了這種直流開關(guān)設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)及應(yīng)用等有關(guān)內(nèi)容，該產(chǎn)品的開發(fā)及應(yīng)用將為我國直流輸電的發(fā)展做出重大貢獻。

直流輸電；直流轉(zhuǎn)換開關(guān)；直流旁路開關(guān)

1 引言

近年來，高壓直流輸電技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的特高壓直流輸電工程，目前也已經(jīng)成功投產(chǎn)，穩(wěn)定運行。

直流輸電和傳統(tǒng)的交流輸電相比，具有以下優(yōu)點：①直流輸電架空線路只需正負兩極導(dǎo)線、桿塔結(jié)構(gòu)簡單、線路造價低、損耗?。虎谥绷麟娎|線路輸送容量大、造價低、損耗小、不易老化、壽命長，切輸送距離不受限；③直流輸電不存在交流輸電的不穩(wěn)定性問題，直流輸電線路無電容充電電流，直流線路無電容充電電流，電壓分布平穩(wěn)，負載大小不發(fā)生電壓異常不需并聯(lián)電抗。并且調(diào)節(jié)速度快，運行可靠，有利于遠距離大容量送電；④直流輸電有利于實現(xiàn)電力系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)；⑤直流輸電有功功率和無功功率容易控制，可以改善交流系統(tǒng)的運行性能；⑥可以利用大地為回路，提高運行可靠性；⑦直流輸電可以方便的分期建設(shè)和增容，有利發(fā)揮投資效益。

雖然直流輸電在我國發(fā)展較晚，但因為其特有的優(yōu)點，受到國家的大力支持，使其發(fā)展迅猛，并且電壓等級也逐漸提高，現(xiàn)已達到國際領(lǐng)先水平。在開始階段直流開關(guān)設(shè)備主要依靠進口，根據(jù)國家要求關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化的要求，國內(nèi)廠家也積極開發(fā)同類產(chǎn)品，但是由于開發(fā)難度大、投資大，國內(nèi)只有較少廠家能夠生產(chǎn)該類產(chǎn)品，依托西電集團公司在電力行業(yè)強大技術(shù)優(yōu)勢和制造基礎(chǔ)，西安西電高壓開關(guān)有限責任公司(以下簡稱西開有限公司)最早在國內(nèi)開發(fā)和制造直流轉(zhuǎn)化開關(guān)和旁路開關(guān)的廠家，并且生產(chǎn)的產(chǎn)品在國內(nèi)的換流站中大量應(yīng)用。

2 直流轉(zhuǎn)換開關(guān)

高壓直流輸電系統(tǒng)中，一般配置有4 種高壓直流轉(zhuǎn)換開關(guān)，分別是金屬回線轉(zhuǎn)換開關(guān)(metallic return transfer breaker，MRTB)、大地回線轉(zhuǎn)換開關(guān)(earth return transfer breaker，ERTB)、中性母線開關(guān)(neutral bus switch，NBS)和中性母線接地開關(guān)(neutral bus grounding switch，NBGS)。

圖1 轉(zhuǎn)換開關(guān)在高壓直流輸電中的位置

其中，MRTB將直流電流從大地回路轉(zhuǎn)換到金屬回線通路的開關(guān)設(shè)備，ERTB將直流電流從金屬回線通路轉(zhuǎn)換到大地回路通路的開關(guān)設(shè)備，NBS安裝在換流站站內(nèi)接地線上，用于把停運的換流橋與中性母線斷開的開關(guān)設(shè)備，NBS還應(yīng)把直流極線故障所產(chǎn)生的故障電流轉(zhuǎn)換到由接地極及其引線構(gòu)成的回路中。NBGS安裝在換流站站內(nèi)接地線上，用于提供站內(nèi)臨時接地的設(shè)備，NBGS最重要的作用是最為一個快速合閘開關(guān)；另外在NBS轉(zhuǎn)換失敗(開斷不成功)時，NBGS也可提供暫時的大地回路通路。

2.1 運行方式轉(zhuǎn)換

(1)正常雙極運行時，雙極兩端中性點接地，NBS11、NBS12、NBS21、NBS22、MRTB閉合,ERTB、NBGS11、NBGS12斷開,電流回路見圖2，直流電流的路徑為正負兩根導(dǎo)線，電流方向相反，雙極對稱運行時，接地極中無電流流過，雙極不對稱運行時，兩極中的電流不相等，接地極中電流為兩極電流之差。

圖2 雙極兩端中性點接地運行方式

(2)當換流閥V13、V14出現(xiàn)故障或需要檢修時，NBS12、 NBS22、S16、S26斷開，把停運的換流橋與中性母線斷開,轉(zhuǎn)入單極大地回線運行方式，電流回路見圖3。

(3)單極大地回線運行方式轉(zhuǎn)為單極金屬回線運行方式。

①由于單極大地回線運行方式會對接地極對附近金屬構(gòu)件產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕作用，一般情況下，不能長期運行，需要轉(zhuǎn)換為單極金屬回線運行方式，按順序打開S18、S28，閉合S17、S27、S15、S25、ERTB,使極Ⅱ?qū)Ь€和大地回線并聯(lián)連接，此時并聯(lián)回路中的電流和電阻呈反比，電流回路見圖4。

圖3 單極大地回線運行方式

圖4 大地回線和金屬回線并聯(lián)運行

②斷開MRTB、S13、S23,將大地回線中的電流轉(zhuǎn)移到金屬回線中，電流回路見圖5。

圖5 單極金屬回線運行方式

(4)單極金屬回路運行方式轉(zhuǎn)為雙極兩端中性點接地運行方式

在V13、V14換流閥檢修完成后，需要從金屬回路運行方式轉(zhuǎn)為正常運行方式，該運行方式的轉(zhuǎn)換和雙極兩端中性點接地運行方式轉(zhuǎn)為金屬回線運行方式的操作過程相反。先閉合S13、S23、MRTB，電流回路見圖4,打開ERTB、S15、S25、S17、S27，閉合S18、S28，電流回路見圖3,閉合S16、S26、NBS12、NBS12，電流回路見圖2，轉(zhuǎn)換到雙極兩端中性點接地運行方式。

MRTB 和ERTB均為轉(zhuǎn)換開關(guān)，但與通常的運行條件有所不同，它斷開直流電流的過程在兩各帶線的并聯(lián)回路中，將一個回路斷開，使其電流全部轉(zhuǎn)移到另一回路的過程。通常大地回路的電阻很小，金屬回路的電阻取決于輸電線路導(dǎo)線的截面和長度。因此MRTB因其回路電阻小而需要開斷較大的直流電流，而GRTS因其回路電阻大，需要開斷的直流電流較小。

2.2 直流轉(zhuǎn)換開關(guān)與直流電流的分斷

目前，應(yīng)用在高壓直流輸電系統(tǒng)中的直流轉(zhuǎn)換開關(guān)主要采用兩種方式來實現(xiàn)，即無源型自激振蕩過零和有源型強迫振蕩過零。相比之下，有源型直流轉(zhuǎn)換開關(guān)更容易分斷較大的直流電流，但無源型直流轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)構(gòu)更為緊湊，造價較低，易于使用和維護，可靠性高，因此更具優(yōu)勢。

無源型直流轉(zhuǎn)換開關(guān)的基本構(gòu)成如圖6所示。

圖6 無源型直流轉(zhuǎn)換開關(guān)電路圖

圖6中,B 為高壓交流SF6斷路器，L 為電抗器，C 為電容器，三者共同組成振蕩回路；MOA為ZnO 避雷器，用以限制開關(guān)兩端的過電壓。無源疊加震蕩方式是利用電弧電壓隨電流增加而下降的非線性負電阻效應(yīng)，在與電弧間隙并聯(lián)的LC回路中產(chǎn)生自激震蕩，使電弧電流疊加上增幅震蕩電流，當總電流過零時開斷。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)我國的直流電網(wǎng)布置，西開公司目前主要有兩種直流轉(zhuǎn)換開關(guān)，±50kV、±100kV、±150kV產(chǎn)品，±50kV直流轉(zhuǎn)換開關(guān)主要用于±500kV及以下?lián)Q流站，±100kV/150kV直流轉(zhuǎn)換開關(guān)主要用于±800kV及以上換流站。

表1 主要參數(shù)

2.4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)換電流的功能，MRTB,NBS,GRTS產(chǎn)品功能接近，所以結(jié)構(gòu)也類似，主要由開斷裝置和震蕩回路組成，開斷裝置為了提高開斷性能，一般采用雙斷口結(jié)構(gòu)，震蕩回路中的電抗器、電容器、避雷器的數(shù)量和參數(shù)根據(jù)實際回路需要配置，在實際工程應(yīng)用中有些差異。

1-開斷裝置;2-絕緣平臺;3-電抗器;4-電容器;5-避雷器圖7 ZZLW1-50直流轉(zhuǎn)換開關(guān)MRTB

1-開斷裝置;2-絕緣平臺;3-電抗器;4-電容器;5-避雷器圖8 ZZLW2-100直流轉(zhuǎn)換開關(guān)MRTB

NBGS是為了實現(xiàn)快速接地功能，所以結(jié)構(gòu)比較簡單，特別要求合閘速度快，合閘時間短。

2.5 產(chǎn)品應(yīng)用

ZZLW1-50直流轉(zhuǎn)換開關(guān)是我國最早自主研發(fā)的直流轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備，該產(chǎn)品在國內(nèi)±500kV直流換流站應(yīng)用較廣泛，包括在我國第一條運行的±500換流站葛-南線的葛洲壩換流站；隨后又自主設(shè)計開發(fā)的ZZLW2-100直流轉(zhuǎn)換開關(guān)，目前在新建的±800浙-溪線的金華站換流站也有應(yīng)用。

1-滅弧室;2-支柱;3-機構(gòu)及底架 圖9 ZZLW2-100直流轉(zhuǎn)換開關(guān)NBGS

圖10 葛洲壩站 ZZLW1-50直流轉(zhuǎn)換開關(guān)(MRTB)

圖11 葛洲壩站 ZZLW1-50直流轉(zhuǎn)換開關(guān)(ERTB)

圖12 拉薩站 ZZLW1-50 直流轉(zhuǎn)換開關(guān)(NBS)

圖13 金華站的ZZLW2-100直流轉(zhuǎn)換開關(guān)NBGS

圖14 ZZLW2-100直流轉(zhuǎn)換開關(guān)(MRTB)

3 直流旁路開關(guān)

3.1 直流旁路開關(guān)的作用

在特高壓直流系統(tǒng)中，旁路開關(guān)有以下兩個主要作用：退出正在運行的12P 換流橋，且不影響剩余換流橋的正常運行;將閉鎖的12P 換流橋重新投入運行，且不影響已經(jīng)投運的換流橋的正常功率輸送。

圖15 旁路開關(guān)在直流系統(tǒng)的位置

由此可知，旁路開關(guān)的使用增加了特高壓直流系統(tǒng)的運行方式，減少了任何一個單極完全停運的次數(shù)，從而提高了直流輸電系統(tǒng)的可靠性和能量可利用率。

當旁路開關(guān)所并聯(lián)的12P換流橋正常運行時，旁路開關(guān)處于分閘狀態(tài)，當12P換流橋或附屬系統(tǒng)發(fā)生故障，或者由于計劃檢修的需要，通過旁路開關(guān)和相關(guān)隔離開關(guān)的配合操作，將此12P換流橋和對站的一個12P換流橋退出運行，以便對需要檢修的換流橋隔離，同時保證本極健全的12P換流橋繼續(xù)運行。當換流橋修復(fù)完成后，再通過旁路開關(guān)和相關(guān)隔離開關(guān)的操作，使兩站的兩個12P換流橋重新投入運行。

對于雙極額定直流功率運行工況，如果未安裝旁路開關(guān)，當一個12P換流橋因故障或檢修退出運行時，該換流橋所在的整個單極將會停運，直流功率損失為50%。

3.2 操作時序

直流旁路開關(guān)實現(xiàn)上述兩個作用，需完成以下操作時序。

(1)旁路開關(guān)合閘，使并聯(lián)的正常運行的12P換流橋閉鎖退出運行。初始狀態(tài)見圖16，旁路開關(guān)在分閘狀態(tài)，電流僅流過換流橋。由于故障或檢修需要，投旁通對閉鎖12P 換流橋，旁路開關(guān)合閘，此時系統(tǒng)狀態(tài)見圖17，直流電流同時流過換流橋和旁路開關(guān)。閉鎖旁通對的觸發(fā)脈沖，直流電流僅流過旁路開關(guān)支路，系統(tǒng)狀態(tài)見圖18。依次合S1、分旁路開關(guān)、分S2 和S3，此時系統(tǒng)狀態(tài)見圖19。旁路開關(guān)合閘、退出換流橋的操作時序過程中，系統(tǒng)狀態(tài)變化依次為：圖12→圖13→圖14→圖15。

圖16 直流電流僅流過換流閥

圖17 直流電流同時流過換流閥和旁路開關(guān)

圖18 直流電流僅流過旁路開關(guān)

圖19 直流電流僅流過隔離開關(guān)S1

圖中：S1、S2、S3 為隔離開關(guān)，BPS12 為旁路開關(guān)。

(2)旁路開關(guān)分閘，使并聯(lián)的處于閉鎖狀態(tài)的12P換流橋解鎖重新投入運行。12P換流橋在閉鎖狀態(tài)，電流流過S1支路，系統(tǒng)狀態(tài)見圖19。S2和S3合閘，然后旁路開關(guān)合閘，S1分閘，直流電流流過旁路開關(guān)，系統(tǒng)狀態(tài)見圖18。12P換流橋解鎖，直流電流同時流過換流閥和旁路開關(guān)，系統(tǒng)狀態(tài)見圖17。給旁路開關(guān)發(fā)分閘指令，旁路開關(guān)在電流過零時刻熄弧，開斷成功，系統(tǒng)狀態(tài)見圖16。旁路開關(guān)分閘，使處于閉鎖狀態(tài)的12P換流橋解鎖重新投入運行的過程中，系統(tǒng)狀態(tài)變化狀態(tài)依次為：圖15→圖14→圖13→圖12。

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

前西開有限公司已經(jīng)開發(fā)完成的旁路開關(guān)產(chǎn)品有ZPLW-816、ZPLW-408、ZPLW-1100、ZPLW-550。

表2 技術(shù)參數(shù)

3.4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及外形

直流轉(zhuǎn)換開關(guān)的主要特點是通流能力大，合閘速度快，所以需要對機構(gòu)及傳動特殊設(shè)計，產(chǎn)品一般采用雙斷口結(jié)構(gòu)的柱式斷路器。

1-滅弧室;2-支柱;3-機構(gòu)及底架圖20 ZZLW-816直流旁路開關(guān)

圖21 ZPLW-1100kV直流旁路開關(guān)

圖22 ZPLW-816kV直流旁路開關(guān)

4 結(jié)語

直流轉(zhuǎn)換開關(guān)和直流旁路開關(guān)是特高壓直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于進行直流輸電系統(tǒng)各種運行方式及接地系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換等，在保證直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行中發(fā)揮著重要作用。直流輸電特有的優(yōu)勢，使得直流輸電發(fā)展迅速，直流開關(guān)設(shè)備也有比較好的前景。

[1] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2] 劉振亞.特高壓直流輸出技術(shù)研究成果專輯(2005年)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3] 李賓賓,茍銳,張鋒.800kV 特高壓直流輸電系統(tǒng)用直流斷路器研究 [J].電力設(shè)備,2007,8(3).

[4] 李賓賓，李巖，茍銳鋒，等.±800kV 特高壓直流輸電用旁路開關(guān)運行條件研究[C]//2009年特高壓輸電技術(shù)國際會議論文集 .

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