普通人怎么了解高压直流断路器？

        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)