混合式直流斷路器快速機(jī)械開關(guān)特性研究及應(yīng)用

劉亞萍，陳軍平，方春恩，劉夢琦

(1.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司,北京市102209；2.成都旭光電子股份有限公司，成都市 610500；3.西安西電電力系統(tǒng)有限公司，西安市 710065)

0 引 言

國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃確定了大力發(fā)展“綠色、低碳”新能源的指導(dǎo)方針。大型風(fēng)電、新型光伏發(fā)電行業(yè)迅猛發(fā)展壯大，并網(wǎng)消納此類新能源迫切需要開發(fā)研究柔性直流輸電新技術(shù)及新設(shè)備。本文依托張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程，研究開發(fā)了±500 kV混合式直流斷路器的核心設(shè)備——高壓大電流快速機(jī)械開關(guān)。張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程是世界首個(gè)直流電網(wǎng)重大科技示范工程，也是實(shí)現(xiàn)清潔能源大規(guī)模并網(wǎng)、踐行綠色冬奧理念的標(biāo)志性工程，已于2020年6月投運(yùn)[1]。張北柔性直流輸電工程(以下簡稱“張北工程”)額定電壓為±500 kV，總換流容量為900萬kW，建設(shè)張北、康保、豐寧和北京4座換流站，其中張北、康保換流站作為送端與大規(guī)模清潔能源直接相連，豐寧站作為調(diào)節(jié)端接入電網(wǎng)并連接抽水蓄能電站，北京站作為受端接入首都負(fù)荷中心[2-4]。張北工程4個(gè)換流站均采用多電平半橋子模塊結(jié)構(gòu)和架空線路設(shè)計(jì)，當(dāng)輸電線路發(fā)生短路接地故障時(shí)，半橋子模塊的橋接二極管無法阻斷短路電流故障，所以必須采用高壓直流斷路器來對故障電流進(jìn)行切除[5]。張北工程在每個(gè)換流站的直流側(cè)均裝設(shè)±500 kV高壓直流斷路器，從而避免單極接地故障導(dǎo)致全站停運(yùn)等嚴(yán)重后果[6]。

目前，根據(jù)拓?fù)湓淼牟煌梢詫⒏邏褐绷鲾嗦菲鞣譃闄C(jī)械式直流斷路器、固態(tài)式直流斷路器以及混合式直流斷路器3種[7-20]。機(jī)械式直流斷路器是利用傳統(tǒng)交流機(jī)械開關(guān)，通過人工電流過零點(diǎn)來熄滅電弧，完成直流開斷，開斷時(shí)間較長；固態(tài)式直流斷路器是利用電力電子開關(guān)器件串并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)大電流的開斷，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大。因此這2種直流斷路器應(yīng)用均受到限制?；旌鲜礁邏褐绷鲾嗦菲骶C合了以上兩種直流斷路器的優(yōu)點(diǎn)，具備了通態(tài)損耗低、故障切除快和無需大容量冷卻設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)已逐漸成為柔性直流輸電的首選。

本文結(jié)合配套應(yīng)用于張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程的額定直流電壓500 kV、額定電流3 000 A的混合式高壓直流斷路器，系統(tǒng)研究高電壓大電流快速機(jī)械開關(guān)的技術(shù)性能，制定快速開關(guān)的總體及各支路設(shè)計(jì)方案。

1 快速機(jī)械開關(guān)的性能要求

柔性直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流流過快速機(jī)械開關(guān)和輔助電流轉(zhuǎn)移開關(guān)，轉(zhuǎn)移支路的電力電子開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)柔性直流系統(tǒng)突發(fā)短路故障時(shí)，短路電流急速暴漲至數(shù)十千安，造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p毀，甚至引發(fā)火災(zāi)。直流斷路器必須在2 ms內(nèi)快速分?jǐn)喙收想娏鳌？焖俜謹(jǐn)噙^程包含以下步驟：首先轉(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)導(dǎo)通，關(guān)斷主支路輔助電流轉(zhuǎn)移開關(guān)，故障電流全部快速轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移支路，輔助電流轉(zhuǎn)移開關(guān)承受轉(zhuǎn)移支路的導(dǎo)通電壓(一般小于1 kV)。當(dāng)流過主支路的快速機(jī)械開關(guān)的電流為0時(shí)，觸發(fā)機(jī)械開關(guān)快速分閘，當(dāng)分閘到耐受系統(tǒng)暫態(tài)開斷電壓的絕緣開距時(shí)，轉(zhuǎn)移支路的電力電子開關(guān)關(guān)斷，線路系統(tǒng)的能量通過耗能支路的氧化鋅避雷器吸收，電流快速下降，從而切除故障[15]?；旌鲜街绷鲾嗦菲骺焖俜?jǐn)嗳^程及其電氣特性如圖1所示。

根據(jù)上述短路電流快速分?jǐn)噙^程分析可知，柔性直流系統(tǒng)對混合式直流斷路器快速機(jī)械開關(guān)提出了極高的電氣機(jī)械性能要求：

1)快速性要求：直流斷路器要求快速機(jī)械開關(guān)在2 ms內(nèi)運(yùn)動(dòng)到耐受暫態(tài)開斷電壓的絕緣距離，對開關(guān)動(dòng)作速度和抗沖擊能力提出了極高要求；為此，必須針對開關(guān)主斷口、斥力機(jī)構(gòu)等組件特點(diǎn)采取特定的設(shè)計(jì)方案和提出針對性的防沖擊措施。

2)動(dòng)態(tài)耐壓性能要求：短路開斷過程中暫態(tài)開斷電壓可達(dá)系統(tǒng)電壓的1.6倍，對于張北工程，為800 kV，該電壓持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)十毫秒。由于快速機(jī)械開關(guān)與耗能支路并聯(lián)，必須耐受上述嚴(yán)酷的沖擊電壓應(yīng)力。不僅如此，與常規(guī)靜態(tài)耐壓不同，快速機(jī)械開關(guān)在承受此沖擊電壓時(shí)剛達(dá)到有效開距，且斷口的觸頭仍然處于運(yùn)動(dòng)過程中。因此，該沖擊電壓考驗(yàn)開關(guān)的動(dòng)態(tài)耐壓性能，對斷口的動(dòng)態(tài)絕緣提出了較高的設(shè)計(jì)要求。

3)長期通流可靠性要求：張北工程直流斷路器要求額定直流電流為3 000 A，最大連續(xù)直流電流為3 300 A，因此對長期通流可靠性提出了較高要求。

2 快速機(jī)械開關(guān)原理及結(jié)構(gòu)

2.1 總體方案

混合式直流斷路器開斷后，快速機(jī)械開關(guān)端間不僅需要耐受系統(tǒng)直流工作電壓，而且還需耐受額定雷電沖擊和操作沖擊電壓。因此，快速機(jī)械開關(guān)耐壓越高，則要求開關(guān)動(dòng)靜觸頭的開距越大，對于500 kV機(jī)械開關(guān)，觸頭開距可達(dá)上百毫米。另一方面，快速機(jī)械開關(guān)的對地絕緣通常通過真空滅弧室與操動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的絕緣拉桿實(shí)現(xiàn)，電壓等級越高，絕緣拉桿越長，從而導(dǎo)致開關(guān)運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量越大。因此，過大的觸頭開距和運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量都會(huì)顯著增加快速機(jī)械開關(guān)的分閘時(shí)間，從而嚴(yán)重影響混合式直流斷路器的開斷性能。為了解決快速機(jī)械開關(guān)的開距和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量對快速性的影響，快速機(jī)械開關(guān)采用如圖2所示的多斷口真空開關(guān)串聯(lián)均壓和開關(guān)高電位放置方案。

圖2 多斷口串聯(lián)快速機(jī)械開關(guān)Fig.2 Fast mechanical switch with multiple breaks

2.2 快速機(jī)械開關(guān)模塊

快速機(jī)械開關(guān)設(shè)計(jì)方案如圖3所示，其主要部件包括：真空滅弧室、雙穩(wěn)彈簧保持機(jī)構(gòu)、電磁斥力機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)桿和緩沖裝置等。為減小傳動(dòng)過程帶來的影響，快速機(jī)械開關(guān)模塊采用直動(dòng)式機(jī)構(gòu)。真空滅弧室的作用是長期導(dǎo)電通流和承受故障切除過程中耐受暫態(tài)開斷電壓；雙穩(wěn)彈簧保持裝置的作用是將真空滅弧室的動(dòng)觸頭保持在合分閘極限位置，并提供保持力；驅(qū)動(dòng)桿的作用是實(shí)現(xiàn)真空滅弧室動(dòng)觸頭與操動(dòng)機(jī)構(gòu)連接；電磁斥力機(jī)構(gòu)主要提供快速機(jī)械開關(guān)高速合分閘所需的動(dòng)能；阻容均壓裝置主要實(shí)現(xiàn)串聯(lián)多斷口之間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓。

圖3 快速機(jī)械開關(guān)設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design scheme of fast mechanical switch module

3 快速機(jī)械開關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 斥力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

直流系統(tǒng)短路故障發(fā)展迅速，要求混合式直流斷路器必須在3～5 ms內(nèi)切斷短路故障電流，機(jī)械開關(guān)應(yīng)在2 ms內(nèi)快速分閘至耐受故障切除過程中暫態(tài)分?jǐn)嚯妷旱慕^緣距離。這就要求機(jī)械開關(guān)必須采用傳遞效率高的快速操動(dòng)機(jī)構(gòu)，而電磁斥力機(jī)構(gòu)就能滿足此要求。

快速機(jī)械開關(guān)模塊采用的電磁斥力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電磁斥力機(jī)構(gòu)Fig.4 Electromagnetic repulsion actuator

電磁斥力機(jī)構(gòu)分閘過程工作原理：當(dāng)晶閘管S導(dǎo)通后，儲(chǔ)能電容器C向分閘線圈放電產(chǎn)生脈沖電流icoil，該電流在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，金屬盤由于磁場的作用感應(yīng)出反向的渦流ieddy，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場與分閘線圈產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生巨大的電磁斥力F，從而推動(dòng)金屬盤運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)桿以及真空滅弧室的動(dòng)觸頭高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速分閘操作。合閘過程原理類似。為保護(hù)驅(qū)動(dòng)回路電容器，在儲(chǔ)能電容器兩端并聯(lián)續(xù)流二極管D，可以防止電流對儲(chǔ)能電容反向充電，同時(shí)續(xù)流二極管起導(dǎo)通和續(xù)流作用，有效延長分閘線圈電流作用時(shí)間，保證電磁斥力機(jī)構(gòu)中后期仍有充足的出力，進(jìn)而提高操動(dòng)機(jī)構(gòu)放電功率的利用效率，更有利于分閘。

根據(jù)斥力機(jī)構(gòu)工作原理，金屬盤受到的電磁斥力為[12-14]：

(1)

式中：i0為勵(lì)磁線圈電流；i1為金屬盤中的感應(yīng)渦流；M為線圈與金屬盤之間的互感；x為運(yùn)動(dòng)位移。

快速機(jī)械開關(guān)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

(2)

式中：Ff為斥力機(jī)構(gòu)受到的反力(包括運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力和真空滅弧室自閉力、彈簧反力)；m為運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量；v為觸頭運(yùn)動(dòng)速度；a為開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)加速度；s為開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)位移。

電磁斥力機(jī)構(gòu)采用雙穩(wěn)彈簧保持裝置，雙穩(wěn)態(tài)彈簧具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性，通過對彈簧剛度、預(yù)壓縮量和連桿尺寸進(jìn)行選取，可對操動(dòng)機(jī)構(gòu)保持力的大小進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而獲得快速機(jī)械開關(guān)分合閘位置的有效保持力。當(dāng)電磁斥力機(jī)構(gòu)分閘時(shí)，雙穩(wěn)彈簧越過中點(diǎn)之前對分閘起阻礙作用；當(dāng)雙穩(wěn)彈簧越過中點(diǎn)之后對分閘操作提供動(dòng)力，合閘過程原理類似。電磁斥力機(jī)構(gòu)采用的雙穩(wěn)態(tài)彈簧保持裝置結(jié)構(gòu)及工作原理如圖5所示。

圖5 雙穩(wěn)彈簧保持裝置Fig.5 Bi-stable spring hold mechanism

雙穩(wěn)彈簧保持裝置在動(dòng)作過程中，其作用力是非線性變化的，因此將其形變受力曲線近似為橢圓計(jì)算，根據(jù)能量守恒可得運(yùn)動(dòng)過程受力為：

(3)

式中：Fx為彈簧力在垂直方向的分量；Fe為連桿處于中間水平位置時(shí)的彈簧力；l為連桿長度；k為彈簧剛度；x′為觸頭運(yùn)動(dòng)位移；lac為a和c兩點(diǎn)之間的距離，等于快速機(jī)械開關(guān)觸頭開距的1/2。

在Ansoft Maxwell電磁場仿真軟件建立圖6所示快速機(jī)械開關(guān)有限元模型，并對快速機(jī)械開關(guān)分閘動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到機(jī)構(gòu)參數(shù)如表1所示，分閘動(dòng)態(tài)特性如圖7所示。

圖6 斥力機(jī)構(gòu)有限元模型Fig.6 FEM model of the electromagnetic repulsive mechanism

表1 斥力機(jī)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of electromagnetic repulsion mechanism mm

從圖7仿真波形可知，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的快速機(jī)械開關(guān)在接到分閘命令后2 ms觸頭運(yùn)動(dòng)距離大于12 mm，滿足耐受暫態(tài)開斷電壓要求，同時(shí)優(yōu)化后線圈電流峰值小，產(chǎn)生的電磁力更大，提高了斥力機(jī)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換效率。

圖7 快速機(jī)械開關(guān)分閘仿真波形Fig.7 Opening waveforms of the fast mechanical switch

3.2 固封極柱設(shè)計(jì)

圖8所示為快速機(jī)械開關(guān)的環(huán)氧固封極柱，采用環(huán)氧樹脂自動(dòng)壓力凝膠成型工藝將真空滅弧室、上出線座和下出線座載流元件封裝成一個(gè)整體，兼顧絕緣和機(jī)械支撐作用，減少快速機(jī)械開關(guān)模塊的零部件和體積。固封極柱選用性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂，保證了產(chǎn)品的機(jī)械、電氣和耐熱老化等性能，具有真空密封性能好、絕緣性能可靠、耐高低溫和高機(jī)械沖擊性能等優(yōu)點(diǎn)。

圖8 環(huán)氧固封極柱Fig.8 Epoxy resin sealed pole

由于快速機(jī)械開關(guān)瞬時(shí)分閘速度可達(dá)10 m/s以上，是常規(guī)交流高壓開關(guān)的8～10倍，因此對真空滅弧室動(dòng)觸頭的材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都提出較高要求，需強(qiáng)化設(shè)計(jì)提高真空滅弧室和環(huán)氧固封極柱的機(jī)械壽命及可靠性。環(huán)氧固封極柱主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)：

1)針對快速機(jī)械開關(guān)的額定直流工作電流和長期連續(xù)最大工作電流導(dǎo)致真空滅弧室動(dòng)導(dǎo)電桿與固封極柱引出線之間的損耗增加和溫升問題，在固封極柱的上出線座和下出線座采用前后對稱方式設(shè)計(jì)，并且固封極柱背面的上出線座和下出線座安裝銅材質(zhì)散熱器，加強(qiáng)輻射和對流散熱；同時(shí)增大固封極柱上出線座和下出線座與銅排之間的搭接面積。通過以上設(shè)計(jì)，保證快速機(jī)械開關(guān)模塊的主回路電阻小于20 μΩ，溫升小于45 K。

2)針對快速機(jī)械開關(guān)高速合分閘要求，真空滅弧室導(dǎo)電桿采用無氧銅，且導(dǎo)電桿內(nèi)設(shè)計(jì)了40Cr鋼芯，并對鋼芯進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，增加其機(jī)械強(qiáng)度；另外，為了避免真空滅弧室的導(dǎo)電桿增加鋼芯后對通流和溫升影響，增大了真空滅弧室的動(dòng)導(dǎo)電桿直徑和有效面積。

3)針對快速機(jī)械開關(guān)的機(jī)械沖擊，真空滅弧室的觸頭材料充分考慮其導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，觸頭材料采用真空電弧熔煉工藝。

4 性能試驗(yàn)及工程運(yùn)行

4.1 性能試驗(yàn)

張北工程500 kV混合式直流斷路器用快速機(jī)械開關(guān)采用9個(gè)斷口串聯(lián)均壓實(shí)現(xiàn)，每個(gè)快速機(jī)械開關(guān)單元模塊的主要參數(shù)如表2所示。

表2 快速機(jī)械開關(guān)模塊技術(shù)參數(shù)Table 2 Parameters of fast mechanical switch module

針對混合式直流斷路器對快速機(jī)械開關(guān)的快速性能要求，對開關(guān)模塊的快速性進(jìn)行測試，采用激光位移傳感器檢測開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)位移，采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器和輔助傳感器檢測開關(guān)分閘絕緣到位時(shí)間，圖9所示為快速機(jī)械開關(guān)模塊的分閘性能測試波形。

圖9 快速機(jī)械開關(guān)分閘性能測試Fig.9 Testing waves of fast mechanical switch’s opening

為了測試快速機(jī)械開關(guān)2 ms耐受動(dòng)態(tài)操作電壓的性能，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)沖擊電壓測試平臺(tái)，如圖10所示。

圖10 動(dòng)態(tài)操作沖擊電壓測試Fig.10 Dynamic switching voltage

動(dòng)態(tài)絕緣測試原理為：首先，控制設(shè)備將分閘命令發(fā)送到快速機(jī)械開關(guān)單元模塊，以控制機(jī)械開關(guān)開始分閘；然后，控制裝置在2 ms時(shí)向沖擊電壓發(fā)生器發(fā)送觸發(fā)命令，并且沖擊電壓發(fā)生器在分閘運(yùn)動(dòng)期間向快速機(jī)械開關(guān)斷開的2個(gè)端子施加±40 μs/4 000 μs的120 kV沖擊電壓；最后通過測試平臺(tái)記錄試驗(yàn)波形?？焖贆C(jī)械開關(guān)模塊動(dòng)態(tài)操作沖擊電壓測試波形如圖11所示。

圖11 動(dòng)態(tài)操作沖擊電壓測試波形Fig.11 Dynamic insulation test waveforms of fast mechanical switch module

4.2 工程運(yùn)行

2020年6月，配套使用該型快速機(jī)械開關(guān)的混合式直流斷路器實(shí)際應(yīng)用于張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程，并順利通過工程現(xiàn)場電氣系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)。同年8月正式投入運(yùn)行，至今直流斷路器快速機(jī)械開關(guān)平穩(wěn)可靠運(yùn)行，目前已完成2次年檢，快速機(jī)械開關(guān)狀態(tài)良好。

5 結(jié) 論

本文基于張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程，系統(tǒng)研究了500 kV混合式直流斷路器的核心裝備——高電壓大電流快速機(jī)械開關(guān)機(jī)械及電氣特性。通過對柔性直流輸電系統(tǒng)突發(fā)短路故障時(shí)直流斷路器承載電流特性的分析，提出了快速機(jī)械開關(guān)電氣和機(jī)械性能要求：1)快速性要求；2)動(dòng)態(tài)耐壓性能要求；3)長期通流可靠性要求。研究了快速機(jī)械開關(guān)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)對操動(dòng)機(jī)構(gòu)和固封極柱設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，其中電磁斥力機(jī)構(gòu)采用雙穩(wěn)彈簧保持裝置，具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性，通過對彈簧剛度、預(yù)壓縮量和連桿尺寸進(jìn)行選取，可對操動(dòng)機(jī)構(gòu)保持力的大小進(jìn)行調(diào)整。由于快速機(jī)械開關(guān)瞬時(shí)分閘速度可達(dá)10 m/s以上，需強(qiáng)化設(shè)計(jì)提高真空滅弧室和環(huán)氧固封極柱的機(jī)械壽命及可靠性，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)：1)固封極柱上出線座和下出線座采用前后對稱設(shè)計(jì)，極柱背面出線座安裝銅質(zhì)散熱器，以此保證快速機(jī)械開關(guān)模塊的主回路電阻小于20 μΩ，溫升小于45 K；2)真空滅弧室導(dǎo)電桿采用無氧銅，且導(dǎo)電桿內(nèi)設(shè)計(jì)了40Cr鋼芯，并對鋼芯進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，增加其機(jī)械強(qiáng)度，為避免真空滅弧室的導(dǎo)電桿增加鋼芯后對通流和溫升影響，增大了真空滅弧室的動(dòng)導(dǎo)電桿直徑和有效面積；3)真空滅弧室的觸頭材料充分考慮其導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，采用了真空電弧熔煉工藝。

對快速機(jī)械開關(guān)特性進(jìn)行了仿真，并對電氣及機(jī)械性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。采用激光位移傳感器檢測開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)位移，數(shù)字存儲(chǔ)示波器和輔助傳感器檢測開關(guān)分閘絕緣到位時(shí)間，對快速機(jī)械開關(guān)的快速性能進(jìn)行了驗(yàn)證。通過動(dòng)態(tài)沖擊電壓測試平臺(tái)，驗(yàn)證了快速機(jī)械開關(guān)2 ms耐受動(dòng)態(tài)操作電壓的性能。

應(yīng)用該型高電壓大電流快速機(jī)械開關(guān)的混合式直流斷路器廣泛適用±500 kV柔性直流系統(tǒng)。