高压直流输电工程中的直流断路器设计及应用仿真

1、第37卷第3期2009年3 月V o.l37N o.3M ar.2009高压直流输电工程中的直流断路器设计及应用仿真孙舒捷1,邰能灵1,薄志谦2(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;2.阿海珐输配电公司,英国ST174LX摘要:介绍直流断路器的设计原理,利用PSCAD仿真软件建立了基于改进M ay r模式的电弧模型以及直流断路器的模型。比较了直流断路器两种不同的设计方法,并基于大量仿真试验,提出了直流断路器设计中元件参数的选择方案。最后通过PSCAD/E M TDC仿真,证明了该方案在HVDC工程M RT B设计中的可行性。关键词:直流断路器;电弧特性;MRTB;HVDC

2、;M ayr m ode l作者简介:孙舒捷(1982-,女,硕士研究生,研究方向为高压直流输电系统及其继电保护。中图分类号:TM561文献标志码:A文章编号:1001-9529(200903-0412-06Desi g n and si m ulation of DC breakers for HVDC projectsSUN Shu-jie1,TA I N eng-li ng1,BO Zhi-q i an2(1.Schoo l o f E lectron ic,Infor m ati on and E lectr i ca l Eng i neering,Shangha i Ji ao t

3、 ong U n i v.,Shangha i200240,Ch i na;2.AR E VA T&D,Stafford S T174LX,UKAb stract:T he desi gn sche m e for t he DC c i rcuit breake r was presen ted,and PSCAD w as used t o construct the arc m odel and the DC breaker mode l based on the i m proved M ay r equati on.Tw o diff e rent current i nte

4、 rruption theo ries were co m pared,and a su itab le param eter choos i ng sche m e for DC breakers w as proposed based on large a m ount o f si m ulati on da ta.PSC A D/E M TDC si m u lati ons proved the sche m e feasi b l e i n M RTB desi gn for HVDC pro j ec ts.K ey w ords:DC breaker;arc characte

5、r i stic;M RTB;HVDC;M ay r m ode l高压直流输电工程的结构中,直流断路器是至关重要的设备之一。在HVDC工程中,直流断路器承担着各种不同的任务,当系统出现故障或检修时,在不停电的情况下改变供电系统结构,保证系统正常运行。传统的交流断路器主要是应用交流电流在每个周期内的2个电流零点来熄灭电弧1,从而开断电流。然而在直流中,由于直流电流没有电流零点,这就给传统意义上的断路器带来了一系列困难。1高压直流输电工程中的直流断路器高压直流输电工程的主要运行结构根据情况分别有单极型和双极型。其中双极型分别有双极两端中性点接地,双极一端中性点接地,双极金属中线3种类型2。目前最

6、常用的运行结构为双极两端中性点接地,是由2个可独立运行的单极大地回线方式组成,见图1。当某个换流器因为故障或者检修需要退出运行的时候, 双极系统可以转为单极运行。可供选图1HVDC双极运行结构简图择的单极接线方式包括:单极大地、单极金属、单极双导线并联大地的3种回线方式。这些运行方式的转换,使得在高压输电工程中出现故障或者检修的情况下,依然可以保证系统的正常供电,即系统在不退出运行的情况下进行故障检修。通过转换开关的开合过程,可以实现直流输电系统由双极运行模式向单极运行模式的平滑转换。4种典型的直流断路器见图1,即:NBS(N eutral Bus Sw itch、GRTS(G round R

7、eturn Transfer Sw itch、MRTB(M etallic Retur n Transfer B reaker、NBGS孙舒捷,等高压直流输电工程中的直流断路器设计及应用仿真0413(N eutra l Bus G round i n g Sw itch。其中MRTB是大地回路向金属回路转换断路器。当系统某极发生故障需要退出或者检修时候,系统首先从双极运行转化为单极大地回路运行状态。由于该运行状态是以大地为回路,这将引起接地极附近地下金属构建的化学腐蚀以及由于中性点接地变压器直流偏磁的增加而造成的变压器磁饱和等问题。此时可以通过MRTB,将极电流从大地回路转换到金属回路中,保证

8、系统相对长期的运行。GRTS是与MRTB配合的断路器,可以使得系统运行从金属回线运行方式转化到大地回线的运行方式。2直流断路器的工作原理分析直流开断的重点是如何在没有电流零点的情况下灭弧,即将通过断路器的恒定电流强迫熄弧。此外,由于直流系统中存在大量电感,需要将能量彻底吸收,同时抑止过电压,避免保护设备受到损坏。对于低电压、小电流的系统(如船舰、地铁等已经有几个实际应用或实验效果良好的方法,可以强迫恒定直流熄弧,比如增大电弧电压法、分段串接入限流电阻以及磁场控制气体放电管断流法等1。然而,这些方法适用于低电压、小电流等级,不能适应高压直流输电中开断大电流的要求。目前为止,在高压直流输电系统中的

9、直流断路器设计所采用的方法是基于交流断路器的基础上,通过各种措施将通过交流断路器的恒定电流转换为有电流零点的变换电流。这样利用传统意义上的交流断路器所设计的直流开断方案,可以达到开断大电流的效果。对于将流过断路器的恒定电流转化带电流零点的变换电流的方法,在过去很长一段时间都是利用少油断路器并联一个火花间隙与电容器串连在一起的回路。然而由于少油断路器的局限性,它越来越多的被SF6断路器所取代。考虑到SF6断路器的电弧电压较低,故其并联回路也有所不同,总的来说分为无源型和有源型2种。2.1无源型直流断路器典型无源型断路器的结构原理见图2。由图分析可得电路的方程:L d2i pd t2+d U bd

10、 t+rd i pd t+1Ci p=0(1式中Id ,Ip,Ib电源电流,流过并联回路电流以及流过断路器电流;Ub断路器电压;R线路 电阻。图2无源型并联回路直流断路器经过解方程可得到流过断路器的电流表达式:I b=I d1+e-(12L(R+d Ubd ibtsin X t(2经过分析可知,流过断路器的电流I b初始值为电源电流值,随着断路器触头分开,I b开始振荡,且幅值是不断变化的。因此要使得电流过零点必须满足以下条件:(1R+d U bd i b<0即d U bd i b必须为负数,|d U bd i b|>R;(2|d U bd i b|越大,I b振荡电流幅值的增长越

11、快,越容易到达电流零点。在开断电流成功的情况下,I b波形见图3 。图3无源型直流断路器电流波形2.2有源型直流断路器有源型的并联辅助回路与无源型相似,然而回路中的电容有一个预充电过程。断路器处于合位时,先用充电装置将电容预充电到一定的电压。等到断路器得到跳闸命令,触头开始分开时,开关K合上,并联回路投入使用。电容放电产生的反向电流与通过断路器的正向电流叠加,得到一个变化电流。当断路器的开距达到额定开距后,变化电流到达电流零点时熄灭电弧从而开断电流。有源型的直流断路器可在短时间内开断大的直流电流,然而这种类型的直流断路器组件较多,控制复杂,可靠性受到一定影响。成功开断的电流波形见图4。由于并联

12、电路投入后在短时间内产生变换电流并到达电流零点,此时断路器触头很可能未达04142009,37(3 图4 有源型直流断路器电流波形到额定开距,在前几个电流零点处没有办法熄弧,触头达到额定开距后,电流过零,将电弧熄灭,达到截流目的。 由上分析得知,由于无源型并联回路直流断路器是利用并联回路中的电容电感元件使得流过断路器触头的电流产生振幅增加的振荡,并且在电弧电流到达零点的时候开断电流,其截流时间和效果取决与直流电流的大小以及并联回路的性能。因此无源型并联回路直流断路器对于截断电流以及并联回路元件值都有一定的要求。有源型并联回路直流断路器是利用充电电容电压直接迫使流过断路器触头的电流为零,其开断能

13、力相对与有源型并联回路断路器要高,然而其充电回路较为复杂,相对来说成本要高。因此针对4k V 及以下的直流电流,多采用无源型并联回路,而针对4kV 以上的电流,采用有源型并联回路。3 电弧特性 当断路器得到分闸命令的时候,断路器触头开始分开,形成电弧。此时电弧成为一种电流载体,使得电流继续在断路器中流过,相当于一个动态的电阻。见图5。 图5 电弧的动态电阻模型由于电流截断是一个动态过程,电弧外特性也是随着外在条件的改变而改变。长期以来高压断路器的设计和研制,只能依靠物理过程的定性分析和简单的估算经验和大量的试验研究来完成。由于断路器的结构以及电弧本身的复杂性,迄今为止还没有得到适用面较广的一般

14、的电弧模型方程。近年普遍采用的是电弧的黑盒模型的研究。在这种模型下,电弧的动态方程采用基本MAYR 模型3,其常数根据具体的断路器通过试验数据来求得。文献4在MAYR 模型的基础上,提出改进的MAYR 模型:1g ar c d g a rc d t =1S (u arc i a rc p-1(3式中 p 电弧能量损耗,p =p 0#i a arc ;S 电弧时间常数,S =S 0#g b ar c ;u arc 电弧电压;i arc 电弧电流;r arc ,g arc 电弧动态电阻和电导,r ar c =1g ar c。p 0,S 0,a,b 都是通过大量的试验统计得到,而且不同类型的断路器其

15、值也不同。通过PSCAD /E MTDC 仿真,可以验证其静态以及动态特性。根据动态方程式(3,在PSC AD /E MTDC 中建立电弧模型,见图6。图6 电弧PSCAD /EM TDC 仿真模型其参数为:p 0=0.13510-6,S 0=3010-6,a =0.5,b =0.416电源电流I d =i ar c =4si n 314t k APSCAD /E MTDC 仿真得到的电弧特性,见图7(a、7(b。图7 改进M ayr 模型的电弧特性4 仿真及元件参数设计在动态方程(3的基础上,建立直流断路器孙舒捷,等 高压直流输电工程中的直流断路器设计及应用仿真0415模型,见图8。 图8

16、无源型并联回路直流断路器PSCAD /E M TDC 模型 定义电流开断时间为从断路器触头打开到完全截断电流所用的时间。选取电源电流为3.5kA,并选不同参数的元件进行仿真,其中并联回路元件C ,L 采用不同值所得的电流开断时间见图9与表1。表中F 代表开断电流失败或者开断时间在40m s 以上的情况。表1 无源型并联回路直流断路器仿真结果m sF /L H C /L F51015202530354066.7F F F F F F 19.915.2100F F F F 36.517.915.213.7150F F F 31.018.516.214.813.9200F F F 25.417.81

17、5.815.114.2250F F 33.220.917.916.415.714.7300F F 28.620.818.216.816.115.7350F F 27.621.018.717.516.416.1400F F 26.220.719.7018.423.316.4500F F 30.330.428.725.924.223.3600F F F 38.735.534.833.231.5700F F F F F F 38.136.7800FFFFFFFF以下针对各参数直流断路器开断时间的影响,进行了仿真实验。基本方法是在其他参数固定不变的基础上,只改变某一参数进行仿真实验。其结果见图10。通

18、过以上仿真,得出结论如下。(1当固定并联回路的电容值时,电感的选择有一定范围,倘若电感的选择在此范围之外则会出现断流失败。当固定并联回路的电感值时,电容的选择有一个最低值。如果电容值过低,流过断路器的电流,振幅逐渐衰减,振荡分量最后衰减为零,电弧电流恢复为直流。通过大量仿真可知,本文中所用的交流断路器开断3.5k A直流电图9无源型并联回路直流断路器仿真结果图10 并联回路参数对于直流开断时间的影响04162009,37(3 流时,其并联回路中的电容器最小值为15L F 。 (2若并联回路采用同样的电容值,电流开断时间随着电感值的不同而改变。从仿真结果可看出,随着电感值的增大,开断时间的变化趋

19、势是有先减小,再增加的趋势。当并联回路采用同样的电感值,电流开断时间随着电容值的增加减小。(3回路电阻对电流开断时间也有影响:在并联回路采用相同电容,电感值的情况下,电阻越大,电流开断时间越长。考虑到工程造价以及断路器性能问题,并联回路参数的选择需要考虑:自然频率、电流开断时间、恢复电压、以及过零点时电流电压的变化率。在保证造价合理的前提下,尽量考虑采用低自然频率,短的电流开断时间。恢复电压要控制在允许范围内,以免断路器在灭弧后出现弧隙击穿重燃的现象。同时为保证成功截流,过零点时的电压以及电流变化率要在断路器本身承受范围之内。另外,附加在电容器上的电压必须在其可以承受的范围之内,因此要根据具体

20、的工程结构来估算出预计的恢复电压峰值,从而使用避雷器来限制电压,吸收多余量。考虑以上因素,若采用文献4中的断路器类型,可选取并联电路元件参数为:I d =3.5kA,L =300L H,C =20L F ,R =0.0058其中交流断路器的跳闸信号为0.005s 。得到的仿真结果,见图11(a、11(b。5 MRTB 仿真在直流侧的转换开关中,MRTB 所承担转移的直流电流为最严重的情况5。故在HVDC 工程中,若直流断路器的性能可以满足工程中MRTB 直流断路器的要求,则该断路器的设计也同时能满足其他直流断路器的要求。MRTB 直流断路器的工作过程:当双极系统正常运行时,MRTB 处于闭合状

21、态,流过地极的电流为系统不平衡电流。此时GRTS 处于断开状态。当某一极因为故障或者检修需要退出运行,系统由双极运行方式转为单极运行,此时流过地极的为负荷电流,即所有负荷电流通过大地流通。当大地回路确定以后,闭合GRTS ,使得一部分电流通过金属导线流通。最后断开MRTB ,使得所有直流电流转移到金属回路上去。见图12。通过PSCAD /E MTDC 建立相应的仿真模型图11 无源型并联回路直流断路器仿真结果见图13,其线路模型参数取自于向家坝上海800kV 特高压直流输电工程,其中输电线路长2071k m 。MRTB 所转移的直流电流约为4.03kA,暂态恢复电压峰值为125kV 8,9。直

22、流断路器并联回路元件参数:C =20L F ,L =300L H,其仿真结果见图14。6 结语在传统断路器电弧模型动态方程的基础上,通过分析其数学模型,对直流断路器的设计方案进行了研究。对于4kV 及以下直流电流,一般采用无源型并联回路直流断路器,而对于4kV 以上孙舒捷, 等 高压直流输电工程中的直流断路器设计及应用仿真 0417 图 14 M RTB 仿真结果 路器中元件参数对于断路器性能的影响, 从而得 到了并联回路中电容电感的参数选择方案。在电 流转移结束后, 需要限制加在直流断路器两端的 恢复电压以避免断路器的绝缘强度被再次击穿而 电弧重燃, 同时也是为了避免电容器过电压, 应采 用避雷器来限制恢复电压。 参考文献: 1 2 图 12 MR TB 工作简图 3 4 Flu rschei C H. Pow er C ircu it Breaker Theory and D esign m M . on pow er del ivery, vo. 16 n