直流开关在换流站中的应用

直流开关在换流站中的应用

刘伟郑锦欢高峰

（国网山西省电力公司检修分公司）

摘要：为了适应直流输电的快速发展，设计开发了相应的直流转换开关和直流旁路开关设备，目前已经在国内大量应用。本文介绍了这种直流开关设备的工作原理、结构参数及应用等有关内容，该产品的开发及应用将为我国直流输电的发展做出重大贡献。

关键词：直流开关；换流站；应用研究

近年来，高压直流输电技术在世界范围内得到了广泛应用，在此基础上进一步发展的特高压直流输电工程，目前也已经成功投产，稳定运行。

直流输电和传统的交流输电相比，具有以下优点:①直流输电架空线路只需正负两极导线、杆塔结构简单、线路造价低、损耗小；②直流电缆线路输送容量大、造价低、损耗小、不易老化、寿命长，切输送距离不受限；③直流输电不存在交流输电的不稳定性问题，直流输电线路无电容充电电流，直流线路无电容充电电流，电压分布平稳，负载大小不发生电压异常不需并联电抗。并且调节速度快，运行可靠，有利于远距离大容量送电；④直流输电有利于实现电力系统之间的联网；⑤直流输电有功功率和无功功率容易控制，可以改善交流系统的运行性能；⑥可以利用大地为回路，提高运行可靠性；⑦直流输电可以方便的分期建设和增容，有利发挥投资效益。

虽然直流输电在我国发展较晚，但因为其特有的优点，受到国家的大力支持，使其发展迅猛，并且电压等级也逐渐提高，现已达到国际领先水平。在开始阶段直流开关设备主要依靠进口，根据国家要求关键设备国产化的要求，国内厂家也积极开发同类产品，但是由于开发难度大、投资大，国内只有较少厂家能够生产该类产品，依托西电集团公司在电力行业强大技术优势和制造基础，西安西电高压开关有限责任公司(以下简称西开有限公司)最早在国内开发和制造直流转化开关和旁路开关的厂家，并且生产的产品在国内的换流站中大量应用。

1.直流转换开关

高压直流输电系统中，一般配置有4种高压直流转换开关，分别是金属回线转换开关、大地回线转换开关、中性母线开关和中性母线接地开关。其中，MRTB将直流电流从大地回路转换到金属回线通路的开关设备，ERTB将直流电流从金属回线通路转换到大地回路通路的开关设备，NBS安装在换流站站内接地线上，用于把停运的换流桥与中性母线断开的开关设备，NBS还应把直流极线故障所产生的故障电流转换到由接地极及其引线构成的回路中。NBGS安装在换流站站内接地线上，用于提供站内临时接地的设备，NBGS最重要的作用是最为一个快速合闸开关；另外在NBS转换失败(开断不成功)时，NBGS也可提供暂时的大地回路通路。

1.1运行方式转换

①正常双极运行时，双极两端中性点接地，NBS11、NBS12、NBS21、NBS22、MＲTB闭合，EＲTB、NBGS11、NBGS12断开，电流回路见，直流电流的路径为正负两根导线，电流方向相反，双极对称运行时，接地极中无电流流过，双极不对称运行时，两极中的电流不相等，接地极中电流为两极电流之差。

②当换流阀V13、V14出现故障或需要检修时，NBS12、NBS22、S16、S26断开，把停运的换流桥与中性母线断开，转入单极大地回线运行方式。

1.2直流转换开关与直流电流的分断

目前，应用在高压直流输电系统中的直流转换开关主要采用两种方式来实现，即无源型自激振荡过零和有源型强迫振荡过零。相比之下，有源型直流转换开关更容易分断较大的直流电流，但无源型直流转换开关结构更为紧凑，造价较低，易于使用和维护，可靠性高，因此更具优势。

1.3主要技术参数

根据我国的直流电网布置，西开公司目前主要有两种直流转换开关，±50kV、±100kV、±150kV产品，±50kV直流转换开关主要用于±500kV及以下换流站，±100kV/150kV直流转换开关主要用于±800kV及以上换流站。

2.直流旁路开关

2.1直流旁路开关的作用

在特高压直流系统中，旁路开关有以下两个主要作:退出正在运行的12P换流桥，且不影响剩余换流桥的正常运行；将闭锁的12P换流桥重新投入运行，且不影响已经投运的换流桥的正常功率输送。

由此可知，旁路开关的使用增加了特高压直流系统的运行方式，减少了任何一个单极完全停运的次数，从而提高了直流输电系统的可靠性和能量可利用率。当旁路开关所并联的12P换流桥正常运行时，旁路开关处于分闸状态，当12P换流桥或附属系统发生故障，或者由于计划检修的需要，通过旁路开关和相关隔离开关的配合操作，将此12P换流桥和对站的一个12P换流桥退出运行，以便对需要检修的换流桥隔离，同时保证本极健全的12P换流桥继续运行。当换流桥修复完成后，再通过旁路开关和相关隔离开关的操作，使两站的两个12P换流桥重新投入运行。对于双极额定直流功率运行工况，如果未安装旁路开关，当一个12P换流桥因故障或检修退出运行时，该换流桥所在的整个单极将会停运，直流功率损失为50%。

2.2操作时序

直流旁路开关实现上述两个作用，需完成以下操作时序。

旁路开关合闸，使并联的正常运行的12P换流桥闭锁退出运行。初始状态见图1，旁路开关在分闸状态，电流仅流过换流桥。由于故障或检修需要，投旁通对闭锁12P换流桥，旁路开关合闸，此时系统状态见图2，直流电流同时流过换流桥和旁路开关。闭锁旁通对的触发脉冲，直流电流仅流过旁路开关支路，系统状态见图3。依次合S1、分旁路开关、分S2和S3，此时系统状态见图4。

图1

图2

图3

图4

旁路开关分闸，使并联的处于闭锁状态的12P换流桥解锁重新投入运行。12P换流桥在闭锁状态，电流流过S1支路，系统状态见图4。S2和S3合闸，然后旁路开关合闸，S1分闸，直流电流流过旁路开关，系统状态见图3。12P换流桥解锁，直流电流同时流过换流阀和旁路开关，系统状态见图2。给旁路开关发分闸指令，旁路开关在电流过零时刻熄弧，开断成功，系统状态见图1。

结语：

直流转换开关和直流旁路开关是特高压直流输电系统中的关键设备之一，主要用于进行直流输电系统各种运行方式及接地系统的转换等，在保证直流输电系统安全稳定运行中发挥着重要作用。直流输电特有的优势，使得直流输电发展迅速，直流开关设备也有比较好的前景。

参考文献：

[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社，2004.

[2]李宾宾，苟锐，张锋.800kV特高压直流输电系统用直流断路器研究[J].电力设备，2007，8(3).