限流開(kāi)斷技術(shù)用直流快速旁路開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與研究

孫珂珂，鐘建英，譚盛武，段曉輝，張利欣，孫英杰，姚文彬

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)與全控型功率器件的推廣應(yīng)用，直流輸電快速發(fā)展，其具有電容量大、線(xiàn)路損耗小、電能質(zhì)量高和無(wú)需功率補(bǔ)償?shù)戎T多優(yōu)勢(shì)[1]，但是直流短路故障具有電流上升率高、處理困難等缺點(diǎn)[2-3]。應(yīng)用超導(dǎo)限流器與直流斷路器配合使用得到廣泛關(guān)注和研究[4]。在直流系統(tǒng)中合理配置超導(dǎo)限流器，可有效降低短路電流水平，改善直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[5-6]。超導(dǎo)限流器作為配合直流斷路器使用的一種直流系統(tǒng)保護(hù)裝置，可確保直流斷路器可靠切斷故障電流[7]。超導(dǎo)限流器正常工作對(duì)直流斷路器可靠動(dòng)作至關(guān)重要[8]，因此亟需開(kāi)展超導(dǎo)限流器特殊工況下的保護(hù)方面的研究[9]。

目前，限流器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，有學(xué)者提出了一種基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器，進(jìn)行了深入的應(yīng)用研究[10-12]。雖然對(duì)于超導(dǎo)限流器相關(guān)方面的研究受到廣泛關(guān)注，但是當(dāng)柔性直流(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“柔直”)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重短路故障或直流斷路器拒動(dòng)時(shí)，超導(dǎo)限流器可能進(jìn)入永久失超狀態(tài)，導(dǎo)致基于直流斷路器和超導(dǎo)限流器的直流系統(tǒng)保護(hù)失效；因此，需要找到一種保護(hù)措施或設(shè)備，避免超導(dǎo)限流器永久性失超[13-15]。

基于上述需求，本文設(shè)計(jì)一種快速旁路開(kāi)關(guān)，有效解決直流斷路器和超導(dǎo)限流器之間保護(hù)失效的問(wèn)題。

1 工況分析

為了降低直流斷路器的制造成本，限制故障電流的上升速度，多端柔直工程極線(xiàn)串聯(lián)超導(dǎo)限流器和直流斷路器，如圖1所示，其中CB為快速旁路開(kāi)關(guān)，DS為隔離開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)限流器處于超導(dǎo)狀態(tài)，通態(tài)電阻幾乎為零[16-17]，電流流經(jīng)直流斷路器和超導(dǎo)限流器，此時(shí)CB21和DS22處于分閘位置，電流由DS16流入，經(jīng)DS19、超導(dǎo)限流器、DS17和直流斷路器，最終由DS14流出；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，超導(dǎo)限流器呈現(xiàn)失超狀態(tài)，起到阻尼電阻的作用，可以將故障電流限制在直流斷路器的開(kāi)斷能力內(nèi)，進(jìn)而利用直流斷路器開(kāi)斷故障電流[18]。

圖1 加裝超導(dǎo)限流器的系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of installing superconducting current limiter

當(dāng)柔直系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重短路故障或直流斷路器拒動(dòng)時(shí)，由于柔直系統(tǒng)的弱阻尼性，故障電流迅速抬升，可能會(huì)造成超導(dǎo)限流器進(jìn)入永久失超狀態(tài)，導(dǎo)致基于直流斷路器和超導(dǎo)限流器的直流系統(tǒng)保護(hù)失效[19]。

選取最不利工況仿真，即系統(tǒng)發(fā)生雙極短路故障，且直流斷路器拒動(dòng)[20]，如圖2所示。根據(jù)控制保護(hù)邏輯推導(dǎo)，時(shí)間t=0時(shí)發(fā)生故障，故障發(fā)生后1 ms左右實(shí)現(xiàn)三站閉鎖，63 ms左右跳交流斷路器完成，故障時(shí)序如圖3所示。

在最嚴(yán)重的雙極短路時(shí)，系統(tǒng)電氣故障仿真結(jié)果如圖4和圖5所示，故障電流約為7 kA，此時(shí)超導(dǎo)限流器兩端電壓在30～40 kV。

圖2 限流器安裝處雙極短路故障位置Fig.2 Bipolar short-circuit fault position in current limiter installation place

圖3 雙極短路故障控制保護(hù)時(shí)序Fig.3 Control and protection sequence of bipolar short-circuit fault

2 方法策略

根據(jù)上述研究，設(shè)計(jì)一種防止超導(dǎo)限流器進(jìn)入永久失超狀態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路原理如圖6所示，直流斷路器和超導(dǎo)限流器串聯(lián)，組成主通流回路，同時(shí)在超導(dǎo)限流器兩端并聯(lián)快速旁路開(kāi)關(guān)。

圖4 雙極短路故障下超導(dǎo)限流器失超電阻變化擬合曲線(xiàn)Fig.4 Fitting curve of superconducting current limiter’s quench resistance change under bipolar short-circuit fault

圖5 加裝超導(dǎo)限流器雙極短路故障仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of bipolar short-circuit fault when installing superconducting current limiter

圖6 旁路保護(hù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Bypass protection topology

具體原理如下：

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，快速旁路開(kāi)關(guān)處于分閘狀態(tài)，線(xiàn)路正常電流流過(guò)直流斷路器和超導(dǎo)限流器的主通流回路；此時(shí)快速旁路開(kāi)關(guān)斷口承擔(dān)的電壓為超導(dǎo)限流器兩側(cè)壓降，由于超導(dǎo)限流器處于超導(dǎo)狀態(tài)，電阻近似于零，兩側(cè)壓降很低。

系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，超導(dǎo)限流器的電阻值隨電流上升而不斷增大，在故障電流增大到接近超導(dǎo)限流器的通流臨界狀態(tài)前，將圖1中的CB21合閘，超導(dǎo)限流器的電阻值此時(shí)處于歐姆級(jí)，快速旁路開(kāi)關(guān)的電阻值為微歐姆級(jí)，所以可將故障電流轉(zhuǎn)移到快速旁路開(kāi)關(guān)支路，從而達(dá)到保護(hù)超導(dǎo)限流器的目的。最后將圖1中的DS17和DS19分閘，使超導(dǎo)限流器完全退出系統(tǒng)。此后，電流流經(jīng)快速旁路開(kāi)關(guān)和直流斷路器組成的支路，此時(shí)快速旁路開(kāi)關(guān)只承擔(dān)通流的任務(wù)，直流斷路器承擔(dān)通流和開(kāi)斷直流電流的任務(wù)。

因此，超導(dǎo)限流器承受故障電流的時(shí)間，與快速旁路開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，對(duì)快速旁路開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間和關(guān)合故障電流提出較高要求。

3 快速旁路開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 快速旁路開(kāi)關(guān)工況分析

根據(jù)上述方法策略及仿真結(jié)果可知，需要在時(shí)間T內(nèi)將超導(dǎo)限流器快速旁路，考慮一定的設(shè)計(jì)裕度和安全性，結(jié)合超導(dǎo)限流器的通流能力和失超臨界狀態(tài)，T按照10 ms整定，即快速開(kāi)關(guān)需要在10 ms內(nèi)關(guān)合9 kA電流，關(guān)合電壓大于30 kV。

傳統(tǒng)的彈簧機(jī)構(gòu)或液壓機(jī)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足上述要求，因此需要選用高速電磁斥力機(jī)構(gòu)作為快速旁路開(kāi)關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是可在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的電磁斥力，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)快速分閘。

3.2 緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高速電磁斥力機(jī)構(gòu)都做了大量研究，此處不再贅述。本節(jié)著重在合閘緩沖方面進(jìn)行研究。

與液壓緩沖、氣體緩沖、聚氨酯緩沖相比，電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的緩沖最直接、可靠的一種形式是采用電磁緩沖，其基本原理是：當(dāng)進(jìn)行合閘操作時(shí)，先對(duì)合閘電容放電，合閘線(xiàn)圈與金屬盤(pán)之間產(chǎn)生斥力，金屬盤(pán)帶動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)觸頭等其余運(yùn)動(dòng)部件向合閘線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)；當(dāng)它們的行程達(dá)到開(kāi)關(guān)要求的距離時(shí)，對(duì)分閘電容放電，此時(shí)分閘線(xiàn)圈與金屬盤(pán)中也會(huì)產(chǎn)生斥力，使運(yùn)動(dòng)部件減速，從而降低操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件到達(dá)合閘位置時(shí)的動(dòng)能，避免彈跳。電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電磁緩沖的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，機(jī)構(gòu)不需要增加額外的部件。

分合閘線(xiàn)圈的充放電回路如圖7所示，其中，S1、S2為開(kāi)關(guān)，C1、C2為電容，D1、D2為二極管，T1、T2為晶閘管，Is為標(biāo)準(zhǔn)電流源的電流。

以合閘過(guò)程為例，整個(gè)過(guò)程應(yīng)分3個(gè)階段，即驅(qū)動(dòng)階段、中間階段和緩沖階段，如圖8所示，其中，Z表示行程，Z1為全行程，Z0為驅(qū)動(dòng)階段行程，Z2為緩沖介入階段行程。

驅(qū)動(dòng)階段(0—t1)：0時(shí)刻，晶閘管T2導(dǎo)通，預(yù)充電電容C2通過(guò)線(xiàn)圈2放電產(chǎn)生脈沖電流，線(xiàn)圈2中變化的電流在空間激勵(lì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，金屬盤(pán)中會(huì)感應(yīng)出渦流，該渦流與線(xiàn)圈2中的電流相互作用，產(chǎn)生電磁力從而驅(qū)動(dòng)金屬盤(pán)向遠(yuǎn)離線(xiàn)圈2的方向運(yùn)動(dòng)。

圖7 充放電回路原理圖Fig.7 Schematic diagram of charge and discharge circuit

圖8 操作時(shí)序圖Fig.8 Operation sequence diagram

中間階段(t1—t2)：t1時(shí)刻，預(yù)充電電容C2通過(guò)線(xiàn)圈2放電產(chǎn)生的脈沖電流降為零后，金屬盤(pán)上所受電磁力幾乎為零，在此階段靠慣性持續(xù)運(yùn)動(dòng)；

緩沖階段(t2—t3)：t2時(shí)刻，晶閘管T1導(dǎo)通，C1通過(guò)線(xiàn)圈1放電產(chǎn)生脈沖電流，作用機(jī)理等同于0—t1階段，此時(shí)金屬盤(pán)受到與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力，開(kāi)始減速進(jìn)入緩沖階段。

緩沖介入過(guò)早則緩沖電磁力較小，緩沖介入過(guò)晚則電磁力作用時(shí)間短，都會(huì)導(dǎo)致末速度較大。通過(guò)仿真分析，對(duì)比有無(wú)緩沖的位移、速度、斥力曲線(xiàn)，確定緩沖介入的最佳時(shí)刻。緩沖過(guò)程中速度與時(shí)間關(guān)系如圖9所示，緩沖過(guò)程中斥力與時(shí)間關(guān)系如圖10所示。

圖9 緩沖過(guò)程中速度與時(shí)間關(guān)系Fig.9 Relationship between speed and time of the buffer process

圖10 緩沖過(guò)程中斥力與時(shí)間關(guān)系Fig.10 Relationship between repulsion and time of buffer process

由圖10看出，通過(guò)電磁緩沖可以吸收斥力盤(pán)剩余能量，保護(hù)機(jī)構(gòu)避免受到太大的沖擊，減小振動(dòng)，提高產(chǎn)品的可靠性。

3.3 快速旁路開(kāi)關(guān)方案設(shè)計(jì)

快速機(jī)械開(kāi)關(guān)單元樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖11所示，主要由機(jī)構(gòu)、氣壓表、套管及接線(xiàn)端子等構(gòu)成，機(jī)構(gòu)和套管采用集成式布置，其中：機(jī)構(gòu)采用新型斥力機(jī)構(gòu)，能夠在幾毫秒內(nèi)完成動(dòng)作，具有可靠的機(jī)構(gòu)壽命；開(kāi)斷單元采用真空滅弧室，該部分整體置于充氣套管。該設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，同時(shí)可以保證內(nèi)、外絕緣的可靠性，適用于高污穢的使用環(huán)境。

快速旁路開(kāi)關(guān)主要組成部分有快速機(jī)械開(kāi)關(guān)單元、支撐架及隔離變壓器等，如圖12所示。其中開(kāi)斷部分由2個(gè)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)單元串聯(lián)組成，2個(gè)單元的機(jī)構(gòu)外殼與支撐架連接，處于等電位，有效解決電位分布不均導(dǎo)致絕緣擊穿的問(wèn)題。通過(guò)隔離變壓器向機(jī)構(gòu)二次進(jìn)行供電，從而實(shí)現(xiàn)高電位與低電位有效區(qū)分。

1—機(jī)構(gòu)；2—?dú)鈮罕恚?—套管；4—出線(xiàn)端子。圖11 快速旁路開(kāi)關(guān)單元Fig.11 Fast bypass switch unit

1—快速機(jī)械開(kāi)關(guān)單元；2—隔離變壓器；3—支柱絕緣子。圖12 快速旁路開(kāi)關(guān)整體布置Fig.12 Overall layout of fast bypass switch

4 試驗(yàn)研究

快速旁路開(kāi)關(guān)試驗(yàn)主要包括絕緣試驗(yàn)、關(guān)合試驗(yàn)及電磁兼容試驗(yàn)[21-23]，本文主要對(duì)關(guān)合的試驗(yàn)方法及回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 機(jī)械特性試驗(yàn)

快速旁路開(kāi)關(guān)合閘的穩(wěn)定性是決定關(guān)合試驗(yàn)成功的關(guān)鍵[24]，決定合閘對(duì)應(yīng)的電流的相角位置，所以在關(guān)合試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)其機(jī)械特性和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試研究。

針對(duì)設(shè)計(jì)的樣機(jī)，圖13給出了開(kāi)關(guān)合閘位移特性。可以看到，電容器放電后，機(jī)構(gòu)合閘速度快速增大，約在9 ms時(shí)達(dá)到滿(mǎn)行程位置。此后，在緩沖力和觸頭碰撞的共同作用下，出現(xiàn)小于3 mm的反彈[25]。在保持力的作用下，最終穩(wěn)定在合閘位置。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的快速旁路開(kāi)關(guān)能夠在10 ms內(nèi)合閘。

圖13 合閘特性曲線(xiàn)Fig.13 Closing characteristic curve

為驗(yàn)證合閘穩(wěn)定性，在空載情況下，進(jìn)行10組機(jī)械穩(wěn)定性測(cè)試，每組10次，記錄每次的合閘時(shí)間，并按組取平均合閘時(shí)間。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖14所示，橫軸為10組取樣對(duì)象，縱軸為每組的平均合閘時(shí)間。從數(shù)據(jù)曲線(xiàn)可知，合閘時(shí)間在8.6～9.5 ms，分散性很小，特性較為穩(wěn)定。

圖14 合閘時(shí)間分散性統(tǒng)計(jì)Fig.14 Dispersion statistics of closing time

4.2 關(guān)合試驗(yàn)

針對(duì)關(guān)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種試驗(yàn)回路，提供試驗(yàn)要求的電壓和電流，達(dá)到考核快速旁路開(kāi)關(guān)的目標(biāo)。試驗(yàn)原理如圖15所示。

試驗(yàn)采用直接法，網(wǎng)側(cè)220 kV變電站提供試驗(yàn)所需電能，經(jīng)變壓器調(diào)節(jié)至試驗(yàn)要求的電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)電抗器，調(diào)整試驗(yàn)電流值的幅值進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)波形如圖16所示，關(guān)合電壓有效值32.2 kV，關(guān)合電流峰值9.5 kA，其結(jié)果在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)，符合工程要求。

PT—短路試驗(yàn)變壓器；PB1、PB2—保護(hù)斷路器；MS—合閘開(kāi)關(guān)；L—調(diào)節(jié)電抗器；I—電流互感器；U—電壓互感器；TO—試品。圖15 試驗(yàn)原理圖Fig.15 Test schematic diagram

圖16 試驗(yàn)波形Fig.16 Test waveforms

5 結(jié)論

本文圍繞160 kV超導(dǎo)限流器用快速旁路開(kāi)關(guān)，通過(guò)典型應(yīng)用工況分析，攻克高電位隔離供能、毫秒級(jí)驅(qū)動(dòng)及緩沖、絕緣區(qū)分等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足工程要求的快速旁路開(kāi)關(guān)。

a)以真空滅弧室為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)雙斷口串聯(lián)的快速旁路開(kāi)關(guān)，整體布置于絕緣平臺(tái)上，通過(guò)隔離變壓器實(shí)現(xiàn)高電位供能。

b)為滿(mǎn)足毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)合閘的要求，采用斥力機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)裝置，并采用電磁緩沖，有效解決了高速合閘帶來(lái)的觸頭反彈問(wèn)題。通過(guò)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了合閘時(shí)間的可靠性。

c)通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了快速旁路開(kāi)關(guān)的合閘穩(wěn)定性和關(guān)合能力。

更高電壓等級(jí)、更強(qiáng)關(guān)合能力、更快合閘速度的快速開(kāi)關(guān)正在深入研究中，有望在高速開(kāi)斷、快速旁路等方面提供新的思路和支撐。