高壓直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輔助回路振蕩特性參數(shù)的檢測(cè)與分析

李永祥，晉 濤，陳昱同

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著我國(guó)特高壓直流工程的建設(shè)，直流電網(wǎng)的規(guī)模越來(lái)越大，高壓直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)備的數(shù)量也越來(lái)越多。高壓直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是換流站直流場(chǎng)的重要設(shè)備，主要用于直流輸電系統(tǒng)各種運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換，如接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、故障處理及檢修隔離等。由于直流系統(tǒng)電流沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)，無(wú)法應(yīng)用交流斷路器的滅弧技術(shù)來(lái)開(kāi)關(guān)直流電流。因此，開(kāi)斷直流電流必須強(qiáng)迫過(guò)零，但當(dāng)直流電流強(qiáng)迫過(guò)零，由于直流系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量需要釋放，而能量釋放則在回路上產(chǎn)生過(guò)電壓，引起斷路器斷口間的電弧重燃，以致造成開(kāi)斷失敗，所以吸收這些能量成為斷路器開(kāi)斷的關(guān)鍵因素[1-2]。目前，三峽—常州等直流工程的直流斷路器設(shè)計(jì)為每年最多可以進(jìn)行20～30次正常轉(zhuǎn)換。因此，為確保直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的可靠轉(zhuǎn)換，開(kāi)展輔助回路振蕩特性參數(shù)測(cè)試顯得十分必要。

目前，國(guó)內(nèi)平高集團(tuán)有限公司、中國(guó)西電集團(tuán)有限公司、中國(guó)電力科學(xué)研究院、南方電網(wǎng)科學(xué)研究院、西安交通大學(xué)等高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)都在大力推進(jìn)特高壓直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的研制工作，關(guān)于直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的研究主要集中在其直流電流分?jǐn)唷⑾ɑC(jī)理、滅弧室核心部件設(shè)計(jì)、電流轉(zhuǎn)換過(guò)程等方面[3-9]；但對(duì)于直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)的研究較少，缺乏相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)及試驗(yàn)方法，對(duì)其輔助回路特性參數(shù)的測(cè)量還未形成相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。為確保直流轉(zhuǎn)關(guān)開(kāi)關(guān)各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，須對(duì)該輔助回路的振蕩頻率和阻尼電阻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

1 高壓直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

高壓直流開(kāi)關(guān)是一種采用振蕩回路產(chǎn)生過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行關(guān)斷的特殊開(kāi)關(guān)，主要用來(lái)關(guān)斷高壓直流電流。在換流站中，通常有4種形式的高壓直流開(kāi)關(guān)，分別為金屬回線轉(zhuǎn)換斷路器MRTB（metallic return transfer breaker）、中性母線開(kāi)關(guān)NBS（neutral bus switch）、中性母線接地開(kāi)關(guān)NBGS（neutral bus ground switch）、大地回線轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)GRTS（ground return transfer switch），其主要用于進(jìn)行直流輸電系統(tǒng)各種運(yùn)行方式與接地系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換等。在直流輸電系統(tǒng)中的配置如圖1所示。

圖1 特高壓直流輸電工程直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的配置情況

1.1 類型及結(jié)構(gòu)原理

我國(guó)已建成的高壓直流換流站中，采用的直流斷路器型式有無(wú)源型和有源型疊加振蕩電流方式兩種，中性母線開(kāi)關(guān)（NBS）及輔助回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和實(shí)物圖如圖2所示。由圖2可知，直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由3部分構(gòu)成：由于交流斷路器改造而來(lái)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；以形成電流過(guò)零點(diǎn)為目的的振蕩回路；以吸收直流回路中儲(chǔ)存的能量為目的的耗能元件。其中能量吸收支路主要為避雷器；電流轉(zhuǎn)移支路包含電容C為轉(zhuǎn)換電容器組，L為電容器的電感和線路的電感之和，機(jī)械開(kāi)關(guān)主要為SF6斷路器。直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，直流電流流過(guò)直流斷路器，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，直流斷路器中的機(jī)械開(kāi)關(guān)觸頭分閘，此時(shí)電流轉(zhuǎn)移支路貫通，產(chǎn)生高頻振蕩電流與直流短路電流共同作用出現(xiàn)人工過(guò)零點(diǎn)，機(jī)械開(kāi)關(guān)在電流零點(diǎn)分?jǐn)嚯娏?，機(jī)械開(kāi)關(guān)兩端恢復(fù)電壓隨即上升，當(dāng)其上升到能量吸收支路的動(dòng)作電壓后，電流轉(zhuǎn)移到能量吸收支路，完成1次直流電流開(kāi)斷[10]。

圖2 高壓直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 4種直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)技術(shù)參數(shù)

結(jié)合±800 kV雁門(mén)關(guān)換流站系統(tǒng)特性要求，4種直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。其中直流濾波場(chǎng)高壓直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的配置情況如下：MRTB轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1臺(tái)，NBS轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)2臺(tái)，NBGS轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1臺(tái)，GRTS轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1臺(tái)。

表1 直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2 輔助回路振蕩特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)測(cè)試原理

高壓直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輔助回路特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。該測(cè)試系統(tǒng)包含：電容電感測(cè)試儀、直流充電電源、HF積分器、羅氏線圈、示波器及輔助開(kāi)關(guān)等設(shè)備。其原理為：當(dāng)輔助回路l1導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)羅氏線圈測(cè)得回路電流，由HF積分器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，最終示波器捕獲電流的振蕩衰減信號(hào)。

2.2 振蕩特性參數(shù)的計(jì)算

圖3 直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輔助回路特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

通過(guò)直流電源給電容充完電之后，斷開(kāi)SW1控制開(kāi)關(guān)，合上斷路器CB，這時(shí)R、L、C串聯(lián)構(gòu)成二階電路，回路中的電流i滿足如下關(guān)系

其振蕩角頻率ω

衰減系數(shù)τ

電容量C直接測(cè)量得到，頻率f由示波器直接獲得，衰減系數(shù)τ由作圖法求出。聯(lián)立式（1）和式（2），可得出L、R。

3 測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 MRTB輔助回路振蕩特性

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得MRTB輔助回路電流振蕩特性曲線如圖4所示。通過(guò)電容電感測(cè)試儀測(cè)得轉(zhuǎn)換電容器組的電容容量為61.8 μF，由圖5可知，通過(guò)曲線擬合可得到圖中振蕩電流波形的漸進(jìn)線方程為y=2.346exp(-0.000 993 6 t)，由此可得到輔助回路振蕩周期為360.58 μs，衰減系數(shù)為1 006.4 μs，振蕩頻率為2 773 Hz；通過(guò)計(jì)算得到輔助回路電感為53.3 μH，回路電阻0.105 9 Ω。

圖4 MRTB輔助回路電流振蕩波形

3.2 GRTS輔助回路振蕩特性

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得GRTS輔助回路電流振蕩特性曲線如圖5所示。通過(guò)電容電感測(cè)試儀測(cè)得轉(zhuǎn)換電容器組的電容容量為61.9 μF，由圖6可知，通過(guò)曲線擬合可得到圖中振蕩電流波形的漸進(jìn)線方程為y=2.873exp(-0.001 123t)，由此可得到輔助回路振蕩周期為347.02 μs，衰減系數(shù)為890.5 μs，振蕩頻率為2 882 Hz；通過(guò)計(jì)算得到輔助回路電感為61.9 μH，回路電阻0.110 7 Ω。

圖5 GRTS輔助回路電流振蕩波形

3.3 NBS輔助回路振蕩特性

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得NBS輔助回路電流振蕩特性曲線如圖6所示。通過(guò)電容電感測(cè)試儀測(cè)得轉(zhuǎn)換電容器組的電容容量為61.58 μF，由圖6可知，通過(guò)曲線擬合可得到圖中振蕩電流波形的漸進(jìn)線方程為y=-3.356exp(-0.001 323t)，由此可得到輔助回路振蕩周期為307.08 μs，衰減系數(shù)為755.9 μs，振蕩頻率為3 256 Hz；通過(guò)計(jì)算得到輔助回路電感為38.8 μH，回路電阻0.102 8 Ω。

圖6 NBS輔助回路振蕩電流波形

3.4 NBGS輔助回路振蕩特性

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得NBGS輔助回路電流振蕩特性曲線如圖7所示。通過(guò)電容電感測(cè)試儀測(cè)得轉(zhuǎn)換電容器組的電容容量為61.86 μF，由圖7可知，通過(guò)曲線擬合可得到圖中振蕩電流波形的漸進(jìn)線方程為y=3.705exp(-0.002 244t)，由此可得到輔助回路振蕩周期為325.4 μs，衰減系數(shù)為445.6 μs，振蕩頻率為3 073 Hz；通過(guò)計(jì)算得到輔助回路電感為43.4 μH，回路電阻0.194 6 Ω。

圖7 NBGS輔助回路振蕩電流波形

4 結(jié)論

高壓直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)用于高壓直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輔助回路振蕩特性參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明4種直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輔助回路的振蕩特性參數(shù)滿足直流輸電系統(tǒng)的要求，證明了測(cè)試方法及試驗(yàn)系統(tǒng)的有效性及正確性；另外，測(cè)試系統(tǒng)采用羅戈夫斯基線圈對(duì)輔助回流電流振蕩特性進(jìn)行測(cè)量，減小現(xiàn)場(chǎng)外界干擾的影響，提高了輔助回路的頻率、阻尼電阻等特性參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。