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特高压直流转换开关详解

更新时间:2025-01-09 工作计划 版权反馈
【摘要】:1)转换开关类型特高压直流转换开关是特高压直流输电系统中的重要设备,主要用于直流输电系统各种运行方式及接地系统之间的转换,保证直流系统的安全稳定运行。图21-17特高压直流换流站开关布置图无源型直流转换开关的结构一般包括一台SF6断路器、1台电抗器L和1台电容器C组成的LC振荡电路、1台避雷器R。

1)转换开关类型

特高压直流转换开关是特高压直流输电系统中的重要设备,主要用于直流输电系统各种运行方式及接地系统之间的转换,保证直流系统的安全稳定运行。与常规超高压直流系统相似,特高压直流转换开关按功能主要分为运行方式转换和保护功能两类,前者包括金属回线转换开关(Metallic Return Transfer Breaker,MRTB)和大地回线转换开关(Ground Return Transfer Switch,GRTS),后者包括中性母线开关(Neutral Bus Switch,NBS)和中性母线接地开关(Neutral Bus Ground Switch,NBGS),各开关在特高压直流换流站的位置如图21-18所示。可见,MRTB和GRTS位于直流极线和接地极线之间,主要用于直流系统在单极大地回线和单极金属回线两种运行方式之间进行转换,并保证转换过程中直流系统的功率输送不中断。NBS位于换流站的站内接地线上,串接在中性母线上,主要作用有两点:当发生单极计划停运时,通过换流器的电流降为零,然后利用NBS将停运的换流器与中性母线断开;当直流系统双极运行时,发生其中一极的内部接地故障,故障极投旁通对闭锁,此时利用NBS将正常极注入接地故障点的电流转移到接地极线路上[9,10]。NBGS位于换流站内中性线与接地网之间,主要用于为换流站提供临时接地。

2)转换开关工作原理

与交流断路器不同,直流电流没有可利用的电流过零点,所以灭弧困难。并且,直流回路中电感很大,加上转换开关动作时切断的直流电流较大,故直流转换开关需吸收很大的能量。此外,转换开关动作时可能会产生较大的过电压,造成开关断口间电弧重燃。由于这些特点,使得直流断路器较交流断路器制造难度更大。在中国投运的特高压直流工程中,按照转换开关的工作原理,特高压直流转换开关一般可分为两类:有源型和无源型[11],其工作原理如图21-19所示。其中无源型直流转换开关的结构图如图21-20所示[12]

图21-17 特高压直流换流站开关布置图

无源型直流转换开关的结构一般包括一台SF6断路器、1台电抗器L和1台电容器C组成的LC振荡电路、1台避雷器R。其中,LC振荡电路主要用于形成电流过零点;SF6断路器用于电路开断,与交流断路器的工作原理类似;避雷器R用于吸收直流回路中储存的能量。无源型直流转换开关的工作原理为:当SF6断路器断口触点分开时,电弧电压在SF6断路器与LC支路构成的环路中激起振荡电流,当振荡电流反向峰值等于直流电流时,流过SF6断路器的电流过零,电弧熄灭。当电弧熄灭后,流过SF6断路器的直流电流被转移到LC支路中,并向电容器C充电,当充电电压达到避雷器R的动作电压后,回路中储存的能量通过避雷器R泄放。

有源型直流转换开关与无源型转换开关相比,增加了1台隔离开关S1和1台直流充电装置Udc,直流充电装置Udc主要用于开关开断前向电容器C预充电。有源型直流转换开关的工作原理为:转换开关动作前,通过充电装置将电容器预充电到一定的电压。当SF6断路器断口触点分开时,投入隔离开关S1,电容C通过电抗器L向SF6断路器断口电弧间隙放电,产生振荡电流叠加在断路器电弧电流上,形成强迫电流。当电流降为零后,电弧熄灭,随后直流回路中的能量通过避雷器R泄放,此后工作原理与无源型直流转换开关相同。

从这类开关的工作原理可以看出,有源型直流转换开关是通过充电电容的电压迫使流过断路器触头电流降为零,而无源型直流转换开关是通过振荡回路形成的振荡电压使流过断路器触头电流降为零。通常来说,无源型直流转换开关适用于转换中等幅值的直流电流,而有源型直流转换开关可以转换较大幅值的直流电流。

图21-18 特高压换流站转换开关配置图(www.xing528.com)

图21-19 特高压直流转换开关工作原理

图21-20 无源型直流转换开关结构示图

3)转换开关特点

在特高压直流系统中,由于每一种直流转换开关的转换电流大小不同,故其组成结构也有一定差异,下面对各种转换开关进行具体介绍。

(1)MRTB:其转换电流较大,在转换过程中需要100~150kV的反向电压,因此需要一个特殊的有源辅助回路支持,一般采用有源型直流转换开关。

(2)GRTS:结构和工作方式都与MRTB类似,但转换电流和转换中所需反向电压(小于50kV)相对较低,故使用无源辅助回路。

(3)NBGS和NBS:由于通过直流系统的闭锁功能可以将其转换电流和转换过程中所需反向电压分别限制到2500A以下和20~50kV的范围内,所以其结构与GRTS类似,也使用无源辅助回路。但特殊的是,NBGS需要在接地极开路且中性母线电压上升失控时迅速合闸,提供临时接地,所以其第一个断路器支路实际由一个转换断路器和一个高速隔离开关串联组成。通常情况下转换断路器闭合而高速隔离开关打开;在接地极开路故障时高速隔离开关闭合;在故障清除后,操作顺序为转换断路器打开,高速隔离开关打开,最后转换断路器再闭合。

对于这些转换开关,执行保护功能的直流转换开关可按一次转换来设计;而执行运行方式转换的转换开关需要在功率输送不中断的前提下实现运行方式转换,需要按两次连续转换进行设计,在分闸失败后进行重合闸并再次分闸。

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