斷路器異步動作時的直流配電系統(tǒng)故障特性分析

張 威，曾 杰，李海波，張 弛，謝 寧，徐 琪， 梅成林，裴星宇，郭宗寶

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080； 2.清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京 海淀 100084； 3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000)

0 引言

電壓等級為±20 kV(中壓直流配電等級)以下的直流配電系統(tǒng)在較大容量的電力傳輸、分布式能源接入、提供交流系統(tǒng)的無功補償?shù)确矫骘@示出明顯的優(yōu)勢，成為現(xiàn)階段直流系統(tǒng)，尤其是柔性直流系統(tǒng)，在城市電網(wǎng)供用電應(yīng)用方面的重要領(lǐng)域。研究具有安全可靠、經(jīng)濟穩(wěn)定的直流配電網(wǎng)具有巨大的市場價值和經(jīng)濟價值，未來直流配電系統(tǒng)的前景十分廣闊[1-6]。但是現(xiàn)有的直流配電網(wǎng)并沒有很多實例，受到直流主設(shè)備運行能力的限制，直流配電網(wǎng)的研究也主要針對低壓直流電壓等級，對于5 kV及以上的直流電壓缺少應(yīng)有的研究、仿真或者試驗結(jié)果分析[7-9]。目前的研究主要集中在交直流網(wǎng)絡(luò)[10-12]、關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)研究[13]、經(jīng)濟調(diào)度[14]等方面，考慮到日后大容量大電流直流配網(wǎng)的應(yīng)用，如果需要將中壓直流配電系統(tǒng)運用到實際，前期的仿真論證是必不可少的。

直流配電系統(tǒng)可靠性的保障通過運行設(shè)備的可靠性實現(xiàn)，而設(shè)備運行可靠性又與極端工作情況有很大關(guān)系，設(shè)備選型過程中必須仿真故障情況下系統(tǒng)暫態(tài)特性，特別是短路故障，短路故障電流、過電壓和上升率對設(shè)備有很高的要求，因此需要分析系統(tǒng)側(cè)配網(wǎng)參數(shù)對故障暫態(tài)的影響。此外，故障后線路兩端及正負(fù)極的直流斷路器如果發(fā)生非同期動作，將對某一側(cè)斷路器斷口避雷器吸收能量產(chǎn)生較大影響，目前關(guān)于該問題的研究較少。本文以目前應(yīng)用較多的基于模塊化多電平結(jié)構(gòu)電壓源換流器(modular multilevel converter， MMC)的柔性直流系統(tǒng)為例，建立中壓柔性直流輸電系統(tǒng)模型，分析快速斷路器對切除系統(tǒng)故障的作用，并重點分析直流斷路器非同期動作對系統(tǒng)絕緣配合配置的影響。

1 中壓直流配電系統(tǒng)模型

1.1 基于MMC的換流站模型

在柔性直流配電網(wǎng)中，為保證高供電質(zhì)量，都必須基于全控型電壓源換流器技術(shù)。綜合考慮到器件串聯(lián)技術(shù)，及交流諧波、直流諧波、損耗、可靠性等性能表現(xiàn)，一般選取MMC作為電壓源換流器?；贛MC的換流站一般劃分為交流側(cè)和直流側(cè)兩個部分，其接線如圖1所示。其中交流側(cè)主要由變壓器部分和換流電抗器部分組成；直流側(cè)主要由換流器部分、換流站出口處限流電抗器(或稱為平波電抗器)、直流斷路器以及線路或負(fù)載部分組成，其中換流器的6個橋臂由可控電力電子開關(guān)元件和橋臂電抗器構(gòu)成。

圖1 基于MMC結(jié)構(gòu)的中壓直流系統(tǒng)換流站拓?fù)銯ig.1 Structure of MMC-MVDC system converter station

圖2 MMC換流器功率子模塊拓?fù)銯ig.2 Structure of MMC converter power sub module

MMC換流器拓?fù)淙鐖D2所示，功率子模塊主要包括半橋、全橋等類型。其中半橋結(jié)構(gòu)不具備故障清除能力，因此在直流側(cè)需要配備直流斷路器；而全橋結(jié)構(gòu)由于具備故障自清除能力，故障情況下不會增加短路電流，因此直流側(cè)不需要配置直流斷路器，系統(tǒng)拓展時故障電流不會因MMC數(shù)量增加而迅速增加。

1.2 仿真系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計

本文基于珠海能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目，設(shè)計3端±10 kV的中壓直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。每個雙向換流站均采用模塊化多電平換流器技術(shù)；交流母線額定電壓均為10.5 kV；接入點的交流母線正常連續(xù)運行電壓的范圍均為9.3～10.7 kV；極端連續(xù)運行電壓的范圍均為9～12 kV；正常運行頻率的范圍均為(50±0.2) Hz；事故情況下頻率范圍均為(50±0.5) Hz。其中MMC-1的功率子模塊為全橋型拓?fù)?；MMC-2和MMC-3的功率子模塊為半橋型拓?fù)洹７抡嫦到y(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖3 中壓直流配電系統(tǒng)示范工程方案Fig.3 Scheme of MVDC power distribution system

換流站換流器容量/MW子模塊電容/μF橋臂電感/mH限流電感/mHMMC-11012.570MMC-21012.574MMC-32021.53.54

1.3 線路參數(shù)

直流線路的電壓降為

ΔUDC=IDCRLineLLine

(1)

式中：IDC為線路額定電流；RLine為輸電線路每公里的直流電阻；LLine為線路長度。

在直流配電系統(tǒng)中，各類換流設(shè)備可以適應(yīng)±10%的輸入電壓變化，且《中低壓直流配電網(wǎng)電壓導(dǎo)則》(征求意見稿中)規(guī)定:18 kV(含)至±50 kV(含)系統(tǒng)的線路最大允許電壓損失不大于10%。以此為根據(jù)，假設(shè)直流電纜采用水平敷設(shè)，導(dǎo)線截面積為240 mm2，輸送電流為線路的持續(xù)載流量時，可得到±10 kV直流配電系統(tǒng)的輸送距離約為25 km[13]。在本文中，電纜1和電纜2的長度設(shè)為1.5 km、電纜3的長度設(shè)置為5 km，用以研究線路長度對動作同期性的影響。

1.4 系統(tǒng)控制模式

本文的直流配電網(wǎng)部分采用“星型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為保持系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性，系統(tǒng)級控制為主從控制，推薦其中一端換流器采用定電壓控制方式，以保持正常狀態(tài)下直流母線電壓穩(wěn)定。本文采用的仿真系統(tǒng)3端換流站控制策略為：MMC-3由于其容量較大，設(shè)定為電壓控制端；MMC-1和MMC-2站為功率控制端；當(dāng)MMC-3站從系統(tǒng)中退出時，由MMC-2控制系統(tǒng)電壓。

2 直流斷路器及保護配置

2.1 直流斷路器拓?fù)浼肮ぷ髟?/h3>

由于直流系統(tǒng)中沒有電流過零點，滅弧困難，目前一般采用交流斷路器疊加振蕩電路和能量吸收裝置的技術(shù)方案，實現(xiàn)開斷直流電流的功能。但是，交流斷路器的操動機構(gòu)主要為液壓機構(gòu)和彈簧機構(gòu)，合閘時間一般為60～150 ms，分閘時間為20～60 ms，開斷時間長，不能滿足快速開斷直流故障電流的要求。

本文采用混合式固態(tài)直流斷路器結(jié)構(gòu)，包括機械開關(guān)和電力電子開關(guān)兩種開關(guān)元件，綜合機械開關(guān)和全固態(tài)開關(guān)的優(yōu)點，開關(guān)通態(tài)損耗小，開斷速度快，可靠性高，壽命長。斷路器結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括機械開關(guān)支路、固態(tài)開關(guān)支路和緩沖限壓支路3條主要支路。正常情況下，電流通過機械開關(guān)。發(fā)生短路故障以后，故障識別模塊按照設(shè)定的動作閾值給直流斷路器工作觸發(fā)信號：首先導(dǎo)通主電力電子開關(guān)，再分閘快速真空開關(guān)，觸頭燃弧，待觸頭開距達(dá)到一定距離時，觸發(fā)耦合負(fù)壓電路原邊回路控制開關(guān)，電容器和原邊線圈放電諧振，通過副邊線圈的耦合，使機械開關(guān)支路的電流轉(zhuǎn)移至主電力電子開關(guān)，機械開關(guān)電流過零熄?。豢焖僬婵臻_關(guān)觸頭繼續(xù)分開，待分閘運動到觸頭間隙能夠承受相應(yīng)的瞬態(tài)恢復(fù)電壓后，主電力電子開關(guān)關(guān)斷，金屬氧化物避雷器(metal oxide varistor aristors, MOV)限壓支路開始工作，MOV支路電流緩慢下降；當(dāng)MOV支路電流第1次下降到0時斷路器兩端隔離刀閘跳開斷路器，整個開斷過程結(jié)束。

圖4 直流斷路器拓?fù)銯ig.4 Topology of DC circuit breaker

動態(tài)性能的研究需要針對斷路器內(nèi)部3條支路分別進行建模。首先是機械開關(guān)支路，對動態(tài)過程有主要影響的是機械開關(guān)觸頭間的燃弧過程，然而目前尚無精確的電弧模型，對于動態(tài)過程的分析也不要求建立十分精確的電弧內(nèi)部變化過程，因此對機械開關(guān)支路進行電氣量等效簡化建模。對于真空機械開關(guān)而言，電弧電流遠(yuǎn)小于10 kA時觸頭間一般產(chǎn)生擴散型真空電弧，其對外表現(xiàn)出正的伏安特性。考慮到10 kV系統(tǒng)實際斷路器的電弧電壓量級，電弧電壓一般為20～60 V?，F(xiàn)有的資料和圖像表明，電弧電壓與電弧電流i(<10 kA)、開距s接近線性關(guān)系，與電弧電流(>10 kA)呈現(xiàn)非線性關(guān)系。如果將開距s作為時間t的函數(shù)，那么電弧電阻可表示為

r=k1f1(i)+k2f2(t)

(2)

圖5 直流斷路器動作時序Fig.5 Action sequence of DC circuit breaker

直流斷路器的動作時序如圖5所示，分為3個階段。第1階段按照設(shè)定的動作閾值，斷路器開始動作，流過斷路器的電流不斷上升，當(dāng)滿足圖4中電力電子主開關(guān)的絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)導(dǎo)通條件時發(fā)生電流轉(zhuǎn)移，因此這部分開斷性能和時間取決于機械開關(guān)觸頭間特性和故障電流上升率。第2階段的開斷性能取決于電流轉(zhuǎn)移過程和固態(tài)開關(guān)的開斷特性，時間長度則取決于兩個方面：電流轉(zhuǎn)移時間和機械開關(guān)觸頭間絕緣恢復(fù)速度。理想情況下電流轉(zhuǎn)移完成且絕緣恢復(fù)后才能跳開固態(tài)開關(guān)支路。如果電流轉(zhuǎn)移過程較快結(jié)束，固態(tài)開關(guān)支路跳開時刻一般以機械開關(guān)觸頭間絕緣強度恢復(fù)為基準(zhǔn)，為了降低電弧重燃概率需要留有一定時間裕量，對于±10 kV/1 kA直流系統(tǒng)而言機械開關(guān)絕緣恢復(fù)速度時間為300～1.5 ms。第3階段性能取決于緩沖吸收支路，時間取決于MOV支路吸收電流持續(xù)時間，不同MOV吸收曲線、不同短路狀態(tài)或者系統(tǒng)運行狀態(tài)下MOV支路吸收時間不同。

2.2 斷路器避雷器特性

斷路器內(nèi)部的避雷器用于限制斷路器斷口間過電壓，并吸收剩余的線路能量，該避雷器需要結(jié)合系統(tǒng)能量要求進行串并聯(lián)設(shè)計。當(dāng)計算串聯(lián)連接的避雷器最大保護水平時，應(yīng)采用避雷器最大偏差特性；而決定特定位置的避雷器最大能量要求時，該避雷器應(yīng)該采用最小的偏差特性，與其相并聯(lián)的其他避雷器應(yīng)采用最大的偏差特性，避免分流；也可按照GB/T 311.3—2017《絕緣配合 第3部分：高壓直流換流站絕緣配合程序》，在規(guī)定避雷器能量時，研究計算避雷器能量值應(yīng)考慮一個安全系數(shù)。這個安全系數(shù)的范圍為0%～20%，該系數(shù)依賴于輸入數(shù)據(jù)和所用模型的容差，以及出現(xiàn)高于研究工況能量的關(guān)鍵故障工況的概率。本文使用的斷路器避雷器的特性如圖6所示。

圖6 斷路器避雷器伏安特性曲線Fig.6 V-I characteristic curve of arrester in DCcircuit breaker

2.3 直流線路區(qū)保護

根據(jù)電力系統(tǒng)保護區(qū)域的基本劃分原則，直流中壓配電系統(tǒng)中被保護對象可分為交流系統(tǒng)、電壓源換流器、直流變壓器、直流線路、直流母線等幾個不同部分。其中，交流系統(tǒng)指與換流器相連的交流系統(tǒng)部分，包括聯(lián)接變壓器、交流線路、聯(lián)接變壓器閥側(cè)至換流器的交流線路等；電壓源換流器指連接交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的電壓源換流器；直流變壓器指用于與其他電壓等級直流系統(tǒng)接入的換流器。

雙極故障是直流配電系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障類型。直流線路或直流母線發(fā)生正負(fù)極短接時，電壓源換流器的直流電容將通過短路點快速放電，直流電壓立即降到0，此時交流系統(tǒng)類似于發(fā)生三相短路，嚴(yán)重危害整個系統(tǒng)的安全運行。

故障發(fā)生后，換流器自身檢測到故障后會迅速閉鎖換流閥以保護其內(nèi)部設(shè)備。而系統(tǒng)級保護系統(tǒng)會通過直流低電壓過電流保護配合直流線路差動保護的判斷，將動作信號送給主控系統(tǒng)，由其完成系統(tǒng)恢復(fù)及運行方式的切換。主控系統(tǒng)收到保護系統(tǒng)傳來的雙極故障判定信號后，進入系統(tǒng)故障隔離和恢復(fù)流程，首先將定功率模式的換流器切換到定電壓模式以維持系統(tǒng)的直流電壓穩(wěn)定；其次，在收到保護系統(tǒng)傳來的故障定位信號后，對故障線路下發(fā)直流斷路器分指令，以確保故障可靠隔離；最后，在直流斷路器動作完成后根據(jù)系統(tǒng)恢復(fù)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換運行方式，恢復(fù)直流系統(tǒng)的供電。

2.4 極間金屬性短路故障分析

假設(shè)在距離MMC-2換流站1.5 km處線路電纜2上發(fā)生極間金屬性短路故障，柔性直流配電系統(tǒng)的10 kV直流線路為電纜，故障為永久性故障。雙極故障后直流電壓迅速降低，換流器子模塊電容(包括MMC和直流變壓器)迅速放電，導(dǎo)致直流電流短時間內(nèi)快速增大；故障發(fā)生后直流線路兩端的差動電流在故障發(fā)生后400 μs達(dá)到直流線路差動保護高定值段，保護系統(tǒng)在延時500 μs后發(fā)出保護動作指令，考慮到通訊延時，在故障發(fā)生后2 ms，線路電纜2兩端的直流斷路器收到保護系統(tǒng)的分?jǐn)嘀噶睿_始隔離故障點；與此同時，在故障發(fā)生后960 μs，MMC-1站換流器觸發(fā)本體的橋臂過流保護，馬上閉鎖觸發(fā)其全橋功率子模塊，截斷由MMC-1站向短路點貢獻(xiàn)的短路電流；故障發(fā)生后2.155 ms時，MMC-2站換流器觸發(fā)本體的橋臂過流保護并閉鎖；故障發(fā)生后2.535 ms時，MMC-3站換流器觸發(fā)本體的橋臂過流保護并閉鎖；直流斷路器在收到保護系統(tǒng)的分?jǐn)嘀噶詈?，于故障發(fā)生后4.5 ms斷開，完成對故障電流的切除和故障點的隔離；故障發(fā)生后60 ms，解鎖MMC-1和MMC-3的換流器，系統(tǒng)自行進入自恢復(fù)階段。整個過程如圖7所示。換流站的交流側(cè)母線都沒有觸發(fā)過流保護，因此不會斷開其交流斷路器，實現(xiàn)了直流側(cè)故障的穿越。

3 非同期動作的仿真分析

一般線路首末端及正負(fù)極均會配置直流斷路器，理想情況下，當(dāng)線路出線故障時，4個斷路器應(yīng)當(dāng)同時動作，將故障隔離?，F(xiàn)代交流高壓斷路器中分閘同期性一般控制在3 ms內(nèi)。直流斷路器可能由于保護延時、操作機構(gòu)動作的非同時性等原因，其安裝在線路兩端的各個斷路器動作時間出現(xiàn)差異。本節(jié)將仿真分析斷路器動作時間不同對操作過電壓和斷路器避雷器能量的影響。

本文中，首端斷路器為線路靠近換流站的一端，而末端則為靠近開關(guān)站的那一端。

3.1 首末端斷路器非同期動作

首末端斷路器不同期動作時，后動作的一端將開斷更大的直流電流，進而在其端間產(chǎn)生更大的動作過電壓，需要其端間避雷器吸收更多的能量來抑制該過電壓。

本節(jié)分析直流斷路器非同期動作對避雷器吸收能量的影響。當(dāng)線路的首端和末端都配置有直流斷路器時，為隔離該段線路共應(yīng)配置4個直流斷路器：首正、首負(fù)、末正和末負(fù)。因此，同期性將存在兩個維度，即首末端同期性和正負(fù)極同期性。

動作時差定義為首末兩端斷路器動作時刻的差值。不同動作時差對避雷器能量和端間過電壓的影響如圖8所示。

圖8 首末端斷路器動作不同期的影響Fig.8 Influence of asynchronous switching of initating and ending terminal DC circuit breaker

根據(jù)圖8可看出，當(dāng)動作時差為正時，隨著時差的增加，首端斷口釋能增加，末端斷口釋能基本不變；當(dāng)動作時差為負(fù)時，隨著時差的增加，末端斷口釋能增加，首端斷口釋能基本不變。

3.2 正負(fù)極斷路器非同期動作

正負(fù)極斷路器不同期動作，類似于具有多個斷口的斷路器的非同期動作。先動作的斷口(設(shè)為正極線直流斷路器)將承受額定的極間電壓，其斷口電壓被斷路器內(nèi)部的能量吸收支路抑制在避雷器殘壓值上，直到另一極斷路器動作并成功開斷。該不同期動作對能量吸收支路的避雷器容量的影響如圖9所示。

圖9 正負(fù)極斷路器動作不同期的影響Fig.9 Influence of asynchronous switching of positive and negative pole DC circuit breaker

由9圖可看出：隨著動作時差的增加，先動斷口釋能增加，后動斷口釋能減少，如果要求先動直流斷路器的泄放能量不超過后動直流斷路器泄放能量的3倍，則極間同期性應(yīng)控制在1.2 ms以內(nèi)；隨著電纜線路長度的增加，斷口釋能略微增加，基本不變，但先后動作的斷路器避雷器能量差逐漸增大，即對同期性要求也越來越高。

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)動作時差為正時，隨著時差的增加，首端斷口釋能增加，末端斷口釋能基本不變；當(dāng)動作時差為負(fù)時，隨著時差的增加，末端斷口釋能增加，首端斷口釋能基本不變。隨著電纜線路長度的增加，斷口釋能略微增加，基本保持不變。

(2) 隨著動作時差的增加，先動斷口釋能增加，后動斷口釋能減少。隨著電纜線路長度的增加，斷口釋能略微增加，基本保持不變。