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普通人怎么了解高压直流断路器?

发布日期:2022-08-01 00:00:00     作者:德力西旗舰店
摘要: 北极星输配电网讯:核心提示近日,张北可再生能源柔性DC电网实验示范工程建成投产。该工程是世界上第一个具有网络特性的直流网络工程

        北极星输配电网讯:核心提示近日,张北可再生能源柔性DC电网实验示范工程建成投产。该工程是世界上第一个具有网络特性的直流网络工程。核心技术和关键设备世界第一。其中,高压DC 断路器作为项目的骨干设备之一,其设计、研发、制造和应用均取得了重大突破。


        电力传输从简单的线路发展到复杂的网络,需要依靠高压断路器形成可开闭的节点,实现电网各部分的灵活组合或分离。一方面扩大了电网规模,另一方面提高了电网对故障的冗余能力。无论是交流电网还是DC电网,高压断路器都是输电网络中最基本、最关键的设备。


        高压断路器是切断DC电流的设备。DC输电系统的两个主要功能是切换运行模式和清除线路故障。因此,高压断路器被称为DC电网的“网络关节”和“安全卫士”,对保证DC系统安全、经济、灵活运行具有重要意义。张北可再生能源柔性DC电网实验示范工程(以下简称张北柔性DC电网工程)中高压DC 断路器的R&D和应用,填补了500 kV高压DC 断路器产品和工程应用的国际空白,也使DC向DC电网输电的发展成为现实。


从无到有,高压DC 断路器逐步升级


        自20世纪50年代高压直流技术应用于工程以来,世界上已有数百个高压直流工程投入运行,其中大部分采用点对点传输的形式。HVDC 断路器的缺乏制约了HVDC向网络化发展。要形成DC电网,迫切需要制造一种能快速切断大电流的高压DC 德力西断路器。


        2012年,全球能源互联网研究院有限公司率先提出高电压DC 断路器的设想,并启动项目研究。联合研究院通过科研攻关,先后突破了高压DC 断路器基础理论研究、关键部件研制、样机集成、等效试验等一系列关键技术难题。


        2014年底,联合研究院自主研发了世界首台±200千伏HVDC 断路器样机。2016年底,±200kV HVDC 断路器成功应用于舟山五端柔性直流输电工程,标志着国家电网公司在HVDC 断路器领域向前迈进了一大步,也填补了HVDC断路器工程在国际上应用的空白。200 kV高压DC 断路器自投运以来,已完成60余次系统切换,4次清除DC海底电缆单极、双极接地短路故障,解决了故障后系统在线切换、快速隔离故障、快速恢复的问题。该项目的可用率从87%提高到99%,共增加10.5亿千瓦时。该项目的成果显著提高了舟山五端柔性DC输电工程的灵活性和可靠性。


        高压DC 断路器的电压等级能否提升至500 kV并应用于真实的DC网络环境?基于±200kV HVDC断路器的R&D和运行经验,联合研究院持续带领国内设备制造商和高校开展技术攻关,在高效电磁供能、毫秒分断超高速机械开关、数字电力电子器件驱动、多模式切换控制和保护装置等关键部件的工程研发上取得突破。


        2017年,联合研究院研制了±500千伏HVDC 断路器样机,并完成了型式试验,初步摸清了±500千伏HVDC 断路器工程应用的路径,为建设世界首个具有网络特性的DC网络奠定了设备基础。张北软直工程创造的12个“世界第一”中,包括目前世界上电压等级最高、分断能力最大的DC 断路器(535 kV,25 kA,3毫秒)。


创新解决±500kV HVDC断路器的研发难题。


        500 kV张北柔性DC电网要求高压DC 断路器作为主保护装置在3毫秒内遮断故障电流,并能快速可靠地实现故障线路的隔离和重合闸。同时,张北柔枝项目的高压DC 断路器也需要具备带电切换能力,以实现DC电网换流站的灵活切换。


        与AC 断路器交流周期电流零点分断不同,DC电流没有零点,用常规的机械力无法切断DC电弧,必须另辟蹊径。


        ±500kV HVDC断路器R&D面临的挑战主要来自三个方面:一是需要人工构建电流零点来强行扭转数万安培的发展趋势;其次,需要耗散数百兆焦耳的能量,同时承受数十万伏的高压。这种强度的电磁冲击在电力系统中极为罕见,相当于让一辆以100 km/h速度行驶的列车在8 cm内刹车;最后,也是最重要的,要快速关闭,比眨眼快一万倍。


        科技攻关团队采用“三步走”策略,一步步突破这三大难题——充分挖掘高压大容量DC开断机理,首个级联全桥混合高压DC 断路器拓扑解决了25 kA电流的人工零点构建问题;揭示深度与多物理量的相互作用路径,在多时间尺度上实现分层分段的应力解耦,解决阻挡100兆焦耳能量的电磁冲击问题。拓展可控电力电子器件和超高速机械开关的操作边界,通过智能协调技术实现分断时间小于2.5毫秒。


        基于这些科学理论和工程技术成果,在各科研院所和工业单位的共同努力下,500 kV高压DC 断路器在工程上得以实现,技术成果由5家设备制造商进行了转化。


该系统的成功应用推动了DC输电向DC电网的发展。


        张柔直工程是典型的双极四端“口”形柔性DC网,每条DC输电线路两侧都有高压DC 断路器。本项目共有8条DC输电线路,每条DC输电线路两端各需要1台高压DC 断路器16条HVDC 断路器安装在DC输电线路两端换流站的阀厅内。在张北、康保、丰宁和北京的四个换流站安装了四个HVDC 断路器。


        为了保证设备的稳定运行,500 kV HVDC 断路器从到达工程现场到正式投入运行,经历了两个阶段的测试。


        当组装完成且柔性DC网络未连接时,技术人员进行了高压DC 断路器现场测试。现场试验是简化版的型式试验,相当于高压DC 断路器工作前的最后一次全面“体检”,主要是排除长途运输和现场安装可能对设备造成的损害。在现场测试中,技术人员进行了各种模拟DC 断路器运行条件的测试项目,以确保DC 断路器在接入电网之前功能齐全。


        HVDC 断路器接入柔性DC网络并与整个DC系统协调完成联调后,需要进行人工短路试验。此时,整个柔性DC系统的所有设备都已准备就绪,柔性DC系统的调试和运行与正常运行无异。人工短路试验相当于HVDC 断路器正式运行前的一次“军事演习”,即在真实运行条件下,通过人工操作模拟自然环境下HVDC线路可能发生的短路故障,来检验HVDC 断路器能否达到真实电网运行环境中所要求的保护功能。6月9日,张北柔枝工程康保换流站人工短路试验顺利完成,500 kV HVDC 断路器在3毫秒内开、重合闸。测试的成功为项目的正式投产奠定了坚实的基础。


        作为电力系统中的全新设备,张北输变电工程500 kV HVDC 断路器突破了DC输电向更加灵活、经济的DC电网发展的技术瓶颈,极大地提升了我国电力电子设备的国际影响力。


(图片由魏、张、肖提供,作者单位:环球能源互联网研究院有限公司)


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