北極星輸配電網訊:核心提示近日，張北可再生能源柔性DC電網實驗示范工程建成投產。該工程是世界上第一個具有網絡特性的直流網絡工程。核心技術和關鍵設備世界第一。其中，高壓DC 斷路器作為項目的骨干設備之一，其設計、研發(fā)、制造和應用均取得了重大突破。

        電力傳輸從簡單的線路發(fā)展到復雜的網絡，需要依靠高壓斷路器形成可開閉的節(jié)點，實現電網各部分的靈活組合或分離。一方面擴大了電網規(guī)模，另一方面提高了電網對故障的冗余能力。無論是交流電網還是DC電網，高壓斷路器都是輸電網絡中最基本、最關鍵的設備。

        高壓斷路器是切斷DC電流的設備。DC輸電系統(tǒng)的兩個主要功能是切換運行模式和清除線路故障。因此，高壓斷路器被稱為DC電網的“網絡關節(jié)”和“安全衛(wèi)士”，對保證DC系統(tǒng)安全、經濟、靈活運行具有重要意義。張北可再生能源柔性DC電網實驗示范工程(以下簡稱張北柔性DC電網工程)中高壓DC 斷路器的R&D和應用，填補了500 kV高壓DC 斷路器產品和工程應用的國際空白，也使DC向DC電網輸電的發(fā)展成為現實。

從無到有，高壓DC 斷路器逐步升級

        自20世紀50年代高壓直流技術應用于工程以來，世界上已有數百個高壓直流工程投入運行，其中大部分采用點對點傳輸的形式。HVDC 斷路器的缺乏制約了HVDC向網絡化發(fā)展。要形成DC電網，迫切需要制造一種能快速切斷大電流的高壓DC 德力西斷路器。

        2012年，全球能源互聯網研究院有限公司率先提出高電壓DC 斷路器的設想，并啟動項目研究。聯合研究院通過科研攻關，先后突破了高壓DC 斷路器基礎理論研究、關鍵部件研制、樣機集成、等效試驗等一系列關鍵技術難題。

        2014年底，聯合研究院自主研發(fā)了世界首臺±200千伏HVDC 斷路器樣機。2016年底，±200kV HVDC 斷路器成功應用于舟山五端柔性直流輸電工程，標志著國家電網公司在HVDC 斷路器領域向前邁進了一大步，也填補了HVDC斷路器工程在國際上應用的空白。200 kV高壓DC 斷路器自投運以來，已完成60余次系統(tǒng)切換，4次清除DC海底電纜單極、雙極接地短路故障，解決了故障后系統(tǒng)在線切換、快速隔離故障、快速恢復的問題。該項目的可用率從87%提高到99%，共增加10.5億千瓦時。該項目的成果顯著提高了舟山五端柔性DC輸電工程的靈活性和可靠性。

        高壓DC 斷路器的電壓等級能否提升至500 kV并應用于真實的DC網絡環(huán)境？基于±200kV HVDC斷路器的R&D和運行經驗，聯合研究院持續(xù)帶領國內設備制造商和高校開展技術攻關，在高效電磁供能、毫秒分斷超高速機械開關、數字電力電子器件驅動、多模式切換控制和保護裝置等關鍵部件的工程研發(fā)上取得突破。

        2017年，聯合研究院研制了±500千伏HVDC 斷路器樣機，并完成了型式試驗，初步摸清了±500千伏HVDC 斷路器工程應用的路徑，為建設世界首個具有網絡特性的DC網絡奠定了設備基礎。張北軟直工程創(chuàng)造的12個“世界第一”中，包括目前世界上電壓等級最高、分斷能力最大的DC 斷路器(535 kV，25 kA，3毫秒)。

創(chuàng)新解決±500kV HVDC斷路器的研發(fā)難題。

        500 kV張北柔性DC電網要求高壓DC 斷路器作為主保護裝置在3毫秒內遮斷故障電流，并能快速可靠地實現故障線路的隔離和重合閘。同時，張北柔枝項目的高壓DC 斷路器也需要具備帶電切換能力，以實現DC電網換流站的靈活切換。

        與AC 斷路器交流周期電流零點分斷不同，DC電流沒有零點，用常規(guī)的機械力無法切斷DC電弧，必須另辟蹊徑。

        ±500kV HVDC斷路器R&D面臨的挑戰(zhàn)主要來自三個方面:一是需要人工構建電流零點來強行扭轉數萬安培的發(fā)展趨勢；其次，需要耗散數百兆焦耳的能量，同時承受數十萬伏的高壓。這種強度的電磁沖擊在電力系統(tǒng)中極為罕見，相當于讓一輛以100 km/h速度行駛的列車在8 cm內剎車；最后，也是最重要的，要快速關閉，比眨眼快一萬倍。

        科技攻關團隊采用“三步走”策略，一步步突破這三大難題——充分挖掘高壓大容量DC開斷機理，首個級聯全橋混合高壓DC 斷路器拓撲解決了25 kA電流的人工零點構建問題；揭示深度與多物理量的相互作用路徑，在多時間尺度上實現分層分段的應力解耦，解決阻擋100兆焦耳能量的電磁沖擊問題。拓展可控電力電子器件和超高速機械開關的操作邊界，通過智能協(xié)調技術實現分斷時間小于2.5毫秒。

        基于這些科學理論和工程技術成果，在各科研院所和工業(yè)單位的共同努力下，500 kV高壓DC 斷路器在工程上得以實現，技術成果由5家設備制造商進行了轉化。

該系統(tǒng)的成功應用推動了DC輸電向DC電網的發(fā)展。

        張柔直工程是典型的雙極四端“口”形柔性DC網，每條DC輸電線路兩側都有高壓DC 斷路器。本項目共有8條DC輸電線路，每條DC輸電線路兩端各需要1臺高壓DC 斷路器16條HVDC 斷路器安裝在DC輸電線路兩端換流站的閥廳內。在張北、康保、豐寧和北京的四個換流站安裝了四個HVDC 斷路器。

        為了保證設備的穩(wěn)定運行，500 kV HVDC 斷路器從到達工程現場到正式投入運行，經歷了兩個階段的測試。

        當組裝完成且柔性DC網絡未連接時，技術人員進行了高壓DC 斷路器現場測試?，F場試驗是簡化版的型式試驗，相當于高壓DC 斷路器工作前的最后一次全面“體檢”，主要是排除長途運輸和現場安裝可能對設備造成的損害。在現場測試中，技術人員進行了各種模擬DC 斷路器運行條件的測試項目，以確保DC 斷路器在接入電網之前功能齊全。

        HVDC 斷路器接入柔性DC網絡并與整個DC系統(tǒng)協(xié)調完成聯調后，需要進行人工短路試驗。此時，整個柔性DC系統(tǒng)的所有設備都已準備就緒，柔性DC系統(tǒng)的調試和運行與正常運行無異。人工短路試驗相當于HVDC 斷路器正式運行前的一次“軍事演習”，即在真實運行條件下，通過人工操作模擬自然環(huán)境下HVDC線路可能發(fā)生的短路故障，來檢驗HVDC 斷路器能否達到真實電網運行環(huán)境中所要求的保護功能。6月9日，張北柔枝工程康保換流站人工短路試驗順利完成，500 kV HVDC 斷路器在3毫秒內開、重合閘。測試的成功為項目的正式投產奠定了堅實的基礎。

        作為電力系統(tǒng)中的全新設備，張北輸變電工程500 kV HVDC 斷路器突破了DC輸電向更加靈活、經濟的DC電網發(fā)展的技術瓶頸，極大地提升了我國電力電子設備的國際影響力。

(圖片由魏、張、肖提供，作者單位:環(huán)球能源互聯網研究院有限公司)