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1、换流站断路器与测量装置设计规范1.1 交流断路器设计交流断路器是直流输电系统中必要的开关电器，能起到控制和保护的作用。按照断路器采用的灭弧介质可分为油断路器(多油、少油)、压缩空气断路器、六氟化硫断路器、真空断路器等。1.1.1 交流断路器的参数及分类(1)断路器的参数断路器的参数主要有：额定电压，额定电流，过载保护电流、短路保护时脱扣电流的整定范围及额定短路分断电流等。额定工作电压：是指断路器在正常(不间断的)的情况下工作的电压15。额定电流：指的是配有专门的过电流脱扣继电器的断路器，在制造厂家规定的工作环境温度下所能承受的最大电流值，使局部和整体温度不会超过电流承受部件规定的温度限值15。
2、(2)断路器的分类按操作方式分：有电动操作、储能操作和手动操作；按结构分：有万能式和塑壳式；按使用类别分：有选择型和非选择型；按灭弧介质分：有油浸式、真空式和空气式； 按动作速度分：有快速型和普通型；按极数分：有单极、二极、三极和四极等；按安装方式分：有插入式、固定式和抽屉式等。(3)断路器的主要作用：在系统发生故障时能与保护装置和自动装置相配合，迅速切断故障电流，防止事故扩大，从而保证系统安全运行。1.1.2 交流滤波回路断路器 在高压直流输电工程中，通常会将交流滤波器和无功补偿电容器分为若干组，这些是用于正常投切及故障的保护切除，而分组断路器是用于在换流站无功功率控制系统的控制下进行分组的
3、正常投切，以满足换流站运行中无功功率的需求。每个交流滤波器分组的类型可能不完全相同，其中有特征谐波滤波器或者低次谐波滤波器，因此对于无功大组断路器的分闸应考虑所有分组都投入和每类分组中有一个退出运行的情况。如果设置低次谐波滤波器，那么必须研究单相故障时应考虑其中的一组3次谐波滤波器退出运行的情况。 (1)并联电容器组合闸冲击电流 如果换流站的无功功率分组中有并联补偿电容器组，那么分组断路器应该要考虑并联电容器组合闸冲击电流的影响。当所选用的断路器难以满足合闸冲击电流的要求时，应该在并联电容器组中串联用以限流的电抗。第m组投入时的合闸冲击电流可用下式来估算式子中 ，m为电容器的分组数；为每分组电
4、容器的容量，；为包括串联限流电抗器以及连接线的每相电感，。 整流站 逆变站(2)基频容性电流开断容量 对于交流滤波器以及并联电容器，断路器所开端的基频容性电流是由每一组的无功功率所决定的，可用下式求得式子中，I为断路器所开断的基频容性电流，kA；为交流滤波器及并联电容器组的无功功率，Mvar；为交流系统正常电压，kV；UacmacUac为交流母线运行最大电压与正常电压之比，取值1.05；k位考虑允许偏差，包括频率偏差的安全系数，取值1.15。 整流站 逆变站1.1.3 换流变回路断路器与一般变电所交流变压器不同的地方是直流换流站的换流变铁芯的直流磁化因素多些，这些因素有换流变压器三相阻抗不平衡
5、，换流阀脉冲不平衡，交直流线路之间的电磁耦合在直流线路上感应的交流工频电压引起换流变压器绕组中产生的附加磁化电流，及换流站接地极和换流变压器之间的电位差在换流变绕组中所产生的直流电流分量等。由于这些因素对换流变铁芯磁化的影响，当换流变压器空载投入电网运行时，产生的励磁涌流会很大。而励磁涌流中含有的三次谐波分量很大，可能会使换流站三次谐波滤波器过负荷，对换流站造成不利影响。对此可采取的有效措施之一是，在换流变压器回路的断路器中配置预合闸电阻。例如，某直流输电工程换流站采用单相双绕组换流变压器，单相容量为298MVA，则对500kV的断路器可根据经验选用1. 5k的预合闸电阻。1.2 直流断路器直
6、流断路器是特高压直流输电工程换流站的重要设备之一，其主要作用是用于进行直流输电系统各种运行方式的转换，接地系统的转换，故障的保护切除和检修的隔离等。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。高压直流断路器经历了基于机械开关的机械式直流断路器时期、基于电力电子器件的全固态直流断路器时期，以及整合前两者优点的混合式直流断路器时期。机械式直流断路器：具有运行稳定、带载能力强、通态损耗小等优点，但其触头容易被开断电弧损坏，开断能力有限，并且故障电流切除时间较长，容易造成事故扩大化，破坏系统稳定性。机械式直流断路器由于其自身结构的制约，难
7、以实现灵活控制与短路电流的快速切断，不能满足高压直流输配电网应用场合下对断路器的苛刻要求16。固态直流断路器：相对机械式直流断路，它有无触头、投切快速无弧无声响、开关时刻准确可控、工作可靠性很高、寿命长等优点，特别适用于直流输配电网等速动性要求高的场合。但固态直流断路器存在易过压过流、器件通态损耗较高、冷却系统笨重，以及现阶段成本高等不足之处，这在一定程度上制约了其工业普及化应用16。混合式直流断路器：综合了机械式断路器与固态断路器的优点，具有通态损耗小、开断快速可控、无弧(或微弧)、无响声、开关寿命长、可靠性很高和无需专用冷却设备等优点，是目前特高压直流断路器研发的主要方向16。1.2.1
8、直流断路器结构直流断路器和交流断路器的主要差别在于去灭弧能力上。因为交流电流的每个周期都有过零点，在过零点容易熄弧，而直流电流却没有过零点，因此开断直流电流时必须将直流电流“强迫过零”，比较常用的电路是LC串联振荡电路。直流电流强迫过零时，直流系统蕴含的巨大能量需要释放，而释放的能量又将会在回路上造成过电压，引起断路器断口间电弧重燃，容易导致开断失败17。我国目前已建成的高压直流换流站中，主要使用的直流断路器型式是无源型和有源型叠加振荡电流方式两种，其基本结构原理图如图5-1所示，主要由三部分组成：(1)转换开关，由交流断路器改造而成，用于电流的接通和断开；(2)振荡回路，由LC串联振荡电路构
9、成，用于形成2次以上的电流过零点；(3)耗能元件，由金属氧化物避雷器构成，用于吸收直流回路中储存的巨大能量17。 图5-1 高压直流断路器的基本构成1.2.2 直流断路器类型为了故障的保护切除、运行方式的转换以及检修的隔离等目的，在换流站的直流侧和交流侧均装设了开关装置。与一般交流变电所不同的是，换流站直流侧的某些开关装置所涉及的是直流电流的转换或遮断。而换流站交流侧的某些开关由于谐波、直流甩负荷以及磁饱和等原因而使开关装置的投切负担加重。双极换流站典型的直流开关设备配置见图5-2。图5-2 直流断路器配置示意图 直流断路器的主要类型有：用于保护作用的中性母线开关(NBS)和中性母线接地开关(
10、NBGS)；用于改变运行方式的金属回线转换开关(MRTB)，大地回线转换开关(GRTS)，(1)中性母线开关NBS(neutral bus switch)。能开断在换流站极内和直流输电线上所发生的任何故障的直流电流。NBS中的开断装置必须能实现分、合闸操作循环。操作机构必须可靠供电。在转换失败或电动机掉电情况下，此功能可以保证开断装置到达闭合位置18。 (2)中性母线接地断路器NBGS(neutral bus ground switch)。装设在中性线与换流站接地网之间，接地极线路断开时，不平衡电流使中性母线电压升高，为了防止闭锁，提高直流输电系统的稳定性，通过NBGS的合闸来建立中性母线与大
11、地的连接来保持双极继续运行，可提高直流输电系统的可用率。接地极线路恢复正常运行时，NBGS必须将流经它至换流站接地网的电流转换至接地极线路。且当NBS无法进行正常工作时，NBGS可以提供临时接地通路。以减少NBS的转换电流18。 (3)金属回线转换断路器MRTB( metallic return transfer breaker)。装设在接地极线回路中，将直流电流从单极大地回线转换到单极金属回线，以保证转换过程不中断直流功率输送。MRTB必须与GRTS联合使用。 (4)大地回线转换开关GRTS(ground return transfer switch)。装设在接地极线与接地线之间，可以在不停
12、运情况下，把直流电流从单极金属回线转换至单极大地回线。1.2.3 直流断路器设计直流断路器的允许的转换电流应该是根据直流系统的额定连续过负荷条件来确定。计算公式如下：MRTB的转换电流为GRTS的转换电流为对于NBS及NBGS，当忽略了主回路(包括平波电抗器和晶闸管阀)电阻时，其转换电流为全电流。式子中，Id额定连续过负荷直流电流；Rmax极线路最大电阻；Rmin极线路最小电阻；ReR整流站接地极线路最小电阻；ReI逆变站接地极线路最小电阻；ReR整流站接地极线路最大电阻；ReI逆变站接地极线路最大电阻；一般计算中，可假设两端接地极电阻均为0。1.3 直流测量装置在高压直流输电工程中，为了能够
13、保证高压直流系统能有可靠的调节以及保护功能，必须要有可供利用的、可靠的系统数据，应该设有完整的测量装置。为了取得相关的数据，在换流站的直流侧和交流侧都应装设相应的交流与直流测量装置。直流场的测量装置分为直流电压测量装置和直流电流测量装置。其中，直流电压测量装置主要类型有感应式电压互感器、电容式分压器、电阻式分压器和阻容式分压器等；直流电流测量装置主要类型有光纤式电流互感器和零磁通式直流电流互感器1.3.1 直流电压测量装置 直流电压测量装置，也称直流电压互感器。在直流换流站中，据所测电压位置的不同可以将直流电压互感器(DC potential transformer，DCPV)分为两种类型:中
14、性线用直流电压互感器和极线用直流电压互感器。其中极线用直流电压互感器工作电压高、准确度高，但是对极线用直流电压互感器进行现场校准试验的难度较大。我国的直流输电工程起步较晚，对于直流输电工程用直流电压互感器DCPT的国有化进程相对比较落后，我国直流输电工程所用DCPT的主要从国外进口。由于国内缺少相应的研制经验，缺乏相应的试验手段，导致对直流电压互感器进行现场校准试验和例行校准工作的条件十分匮乏；一般只在10%额定电压下进行极线直流电压互感器的现场注压试验，在注压的同时对分压比进行粗略观察，或者用万用表测量低压下的高、低压臂电阻，用计算的方法得到分压比；在额定电压下的现场校准试验一直处于空白状态
15、19。直流电压传感器一般采用以下4种原理制作而成:电磁感应原理、零磁通比较仪原理、电光Pockels效应和电阻分压原理。利用电磁感应原理制作的传感器，具有隔离效果好、稳定性高等优点，但是其测量准确度较低。采用零磁通比较仪原理制作的传感器，能够大大提高测量的准确度。采用电磁感应原理和零磁通比较仪原理制作的传感器，在测量直流电压时要将被测电压信号转换成电流信号，这就需要在铁芯一次绕组中串联接入具有一定准确度和稳定性要求的高压电阻，要求高压电阻既要承受高电压，又要有一定的通流能力，研制这样的电阻具有一定的技术难度，在经济上也不合理。因此，利用电磁感应原理和零磁通比较仪原理制作的传感器不适合直流高电压
16、的测量。基于电光Pockels效应制作的光电传感器具有体积小巧、抗电磁干扰能力强、测量回路和高压回路彻底隔离以及无爆炸危险等显著优点，在高压电力系统中具有广阔的应用前景。但是，光电传感器易受到温度、震动等外部因素的影响，其稳定性和可靠性较低，这大大限制了光电传感器的工程应用，目前还没有光电传感器在直流输电工程中正式挂网运行的报道。直流电阻分压器的原理简单、工作性能稳定、准确度高，因而获得了广泛的应用。目前我国直流输电系统中的直流电压互感器都采用这种分压器作传感器。四川向家坝上海奉贤800kV特高压直流输电示范工程复龙换流站极线电压互感器的工作原理如图5-3所示，从图中可以看出，直流电压互感器由
17、直流场中的高压分压器、控制室内的二次转换器和传输电缆3部分组成。图5-3 直流电压互感器的工作原理直流电阻分压器采用阻容分压器的形式，是整套装置的传感器部分。分压器电阻部分的主要作用是测量直流电压，电容部分的主要作用是均匀分布雷电冲击电压。当雷电冲击电压到来时，受寄生电容的影响，分压器电阻上的电压分布极不均匀，靠近高压侧的电阻将承受很高的冲击电压，这极有可能使单个电阻因过电压而损坏，从而导致整个分压器的损坏。并联电容能够有效减小寄生电容的影响，使冲击电压分布均匀。为了保证二次侧的安全，在低压臂上并联1个电压限制装置F1，以限制抽头与地之间的电压。测量电缆将直流场中的分压器和控制室内的二次转换器
18、连接起来，使分压器输出的低压测量信号传送到二次转换器。二次转换器具有两路独立输出，其作用是将分压器输出的测量信号进行滤波、分压、放大等处理后，转换为控制保护系统所需要的信号。1.3.2 直流电流测量直流电流互感器是换流站重要设备之一。它承担着直流系统电能计量、电量监测、为电力系统继电保护提供信号等的重要作用。我国的高压直流输电技术是从 20 世纪 80 年代开始起步的，直流电流互感器的技术研究也开始于这一时期，其中原武汉高压研究所、西安 高压电器研究院等科研单位都有对于直流互感器的相关技术开展了深入的研究。但由于国内用量少，且事故率很高，所以一直 没有得到推广。直到2004年西电集团研制出油浸
19、式500kV直流 电压互感器才完成型式试验。国外20世纪70年代 ，ABB、SIEMENS及Schniewindt公司等国外公司开始研制直流互感器，目前电压等级可以达到800kV，且技术水平很高。我国800kV云广、向上、锦苏及溪洛渡到浙西直流输电工程等均安装的是国外的产品20。(1)零磁通式DCCT传统的磁调制型又称零磁通型，是一种高精度、无接点的电流测量元件，可以在mA 至kA级的测量范围内保持测量精度，具有很强的稳定性和大的信噪比，时间响应较快，具有良好的动态性能。完全的磁通势平衡是其基本原理，负载的电阻和输出放大器则决定了它的精度20。电流互感器的环形铁芯有 3个绕组:第1个绕组流过一
20、次直流电流建立一个磁通势；第2个绕组连接一个放大器输出端作为高增益的积分器，电流流过它时产生的磁通势与第1个绕组产生的磁通势相互抵消，取得平衡；第3个绕组则是一个非常灵敏的绕组，铁芯中任何磁通势不平衡都将会产生磁通的变化，该绕组中产生感应电压可以调节第2个绕组中的输入电流，从而使磁通势重新达到新的平衡20。(2)光电式DCCT光电式的主要用于直流极线测量大电流所用，一次传感器大多采用分流器，利用光纤传输信号并实现高低压绝缘。光电型的直流电流互感器主要由信号采集单元、光电转换模块、光纤回路和光接收模块等几部分组成。信号采集单元用来采集回路中的电流值，其电流值通常由分流器提供，该模块配置于装置的高
21、压部分20。基本原理图如图5-4，光电转换模块用来实现被测信号的模数转换和数据的发送，位于控制保护屏柜内的光电源通过光纤对模块中的电子电路由进行单独的供电。这部分也配置于装置的高压端。光纤回路一般依附在绝缘子之中，两根光纤分别传输数据和能量。光接收模块位于控制保护机柜内，用于接受来自光纤的数字信号，并通过模块中相应的芯片处理，最后将控制信号发送到相应的控制保护装置20。两种DCCT的比较如表5-1。图5-4 光CT原理图对比项 类型电磁式电流互感器全光纤电流互感器备汪说明磁饱和有无短路时，电磁式因铁芯的作用将产生磁饱和，而光纤则无。故障响应时间慢快电磁式以工频量为判断条件，光纤式以暂态量为判断条件。动态范围小大电磁式因磁饱和，动态范围小频响范围小宽电磁式传感头由铁芯组成，频响低;光纤式传感头为光纤，因此频响宽。输出形式模拟量数字或模拟为适应智能电网的要求，数字输出将成为优势。绝缘性差好电磁式用油等绝缘材料有爆炸的危险;光纤式采用光纤作为敏感和传输介质，无此风险。抗干扰能力差强经济性差好随着电网升级，电磁式成本剧增;光纤式成本几乎不变。谐振现象有无电磁式呈感性，与断路器容性端口会产生电磁谐振;而光纤式无此条件。体积重量大，笨重小，灵活表5-1 两种CT的对比