双极柔性直流电网极线电气主接线系统及在线检修方法与流程

本发明涉及一种柔性直流输电技术领域，特别是关于一种双极柔性直流电网极线电气主接线系统及直流断路器在线检修方法。

背景技术：

柔性直流输电技术是基于全控型电力电子器件的新一代直流输电技术，具有响应速度快、可控性好、运行方式灵活、同等容量占地规模小等特点，目前柔性直流输电技术正处于快速发展阶段，多条柔性直流输电工程正在规划、设计、建设，如国内渝鄂±420kv柔性直流背靠背工程、张北±500kv四端柔性直流电网工程、乌东德±800kv混合柔性直流输电工程等。大容量柔性直流电网可发挥柔性直流输电的技术优势，可实现多电源供电或多落点供电，是大规模可再生能源并网、风、光、储、抽蓄多种能源的接入和输送的有效解决方案。

电气主接线设计是柔性直流电网系统输电技术研究的关键内容之一，其电气主接线的确定与电力系统整体及换流站本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并对电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。因此，必须正确处理好各方面的关系、全面分析有关影响因素，合理确定柔性直流输电系统主接线方案。对于两端、多端、背靠背等多种形态的柔性直流输电系统的主接线，国内外已有较多文献论述；但对于柔性直流电网电气主接线，特别是极线区域电气主接线如何设计鲜有涉及；极线高压直流断路器是柔性直流电网工程中最核心的关键设备之一，可数毫秒内完成故障电流开断，快速、可靠地实现故障线路的隔离及重合，同时可实现换流站在直流电网中灵活投退，对保障健全系统的安全持续运行，提高直流电网可靠性具有重要意义。

极线主接线涵盖了极线区域内的主要一次设备，包括模块化多电平换流器、直流断路器、桥臂电抗器、直流电抗器、直流隔离和接地开关、测量装置和避雷器、穿墙套管等一次设备，需要揭示各电压和电流测量装置的布置型式和相对位置。中性线区域内转换开关的确定与电力系统整体及换流站本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，且应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求：(1)可靠性。设计方案应该保证柔性直流电网系统有较高的可靠性。(2)灵活性。设计方案应满足正常运行时和检修及扩建时的灵活性要求。(3)经济性。设计方案应力求简单，以节省一次设备。同时，方案占地面积小。

电气主接线的确定需要考虑绝缘配合原则、控制保护电气量测点需要、开关运行方式和检修状态转换、系统启动充电等。极线电气主接线确定好关键设备如开关等具体方案后，需要解决的另外一个关键问题是如何利用所配置的开关完成直流断路器的在线检修，而不影响直流电网剩余部分的正常运行。然而现有的技术手段未涉及双极带金属回线柔性直流电网极线区域内的开关方案及直流断路器在线检修方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种双极柔性直流电网极线电气主接线系统及直流断路器在线检修方法，其能够在换流因故障在线快速投退而不影响剩余直流电网正常运行，节省了直流断路器数量、一次设备造价低。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双极柔性直流电网极线电气主接线系统，该主接线系统设置在阀厅内，其包括从交流侧到极线的电气主接线电路、从交流侧到中性线的电气主接线电路、换流器到直流汇流母线的电气主接线电路、与户外极线1连接的直流断路器接线电路和与户外极线2连接的直流断路器器接线电路；交流侧输电线一端经第一交流侧穿墙套管与所述从交流侧到极线的电气主接线电路一端连接，所述从交流侧到极线的电气主接线电路另一端经所述换流器到直流汇流母线的电气主接线电路连接至直流汇流母线一侧；所述交流侧输电线另一端经第二交流侧穿墙套管与所述从交流侧到中性线的电气主接线电路一端连接，所述从交流侧到中性线的电气主接线电路另一端经中性线穿墙套管与中性线区域连接；两所述直流断路器接线电路一端均与所述直流汇流母线另一侧连接，两所述直流断路器接线电路另一端分别经第一极线穿墙套管和第二极线穿墙套管与户外极线1电气主接线电路、户外极线2电气主接线电路连接。

进一步，所述从交流侧到极线的电气主接线电路包括第一接地开关qs01、直流测量装置ct1、直流避雷器lv1、换流器上桥臂阀塔、直流避雷器cbh、电压测量装置pt1和直流电流测量装置ct3；所述直流测量装置ct1一端与所述交流侧输电线一端连接，位于两者之间并联有所述第一接地开关qs01；所述直流测量装置ct1另一端经所述换流器上桥臂阀塔与所述直流电流测量装置ct3一端连接，所述直流电流测量装置ct3另一端与所述换流器到直流汇流母线的电气主接线电路连接；位于所述直流测量装置ct1与所述换流器上桥臂阀塔之间的线路上设置有所述直流避雷器lv1，位于所述换流器上桥臂阀塔与所述直流电流测量装置ct3之间的线路上依次并联设置有所述直流避雷器cbh和电压测量装置pt1。

进一步，所述换流器到直流汇流母线的电气主接线电路包括带有第一地刀qs11和第二地刀qs12的第一带双地刀的隔离开关q1、直流母线快速隔离开关cb1、带有第三地刀qs21和第四地刀qs22的第二带双地刀的隔离开关q2和启动回路；所述第一地刀qs11一端、第二地刀qs12一端、第三地刀qs21一端和第四地刀qs22一端均并联在所述直流电流测量装置ct3另一端与所述直流汇流母线之间的线路上；在所述直流电流测量装置ct3另一端与所述直流汇流母线之间的线路上；位于所述第二地刀qs12与所述第三地刀qs21之间设置有所述直流母线快速隔离开关cb1，所述启动回路并联在所述直流母线快速隔离开关cb1两端。

进一步，所述启动回路包括依次串联的不带地刀的隔离开关q3、直流侧启动电阻r1和直流电流装置ct4。

进一步，所述从交流侧到中性线的电气主接线电路包括第二接地开关qs02、直流测量装置ct2、直流避雷器lv2、换流器下桥臂阀塔、直流避雷器cbn1和第三接地开关qs03；所述直流测量装置ct2一端与所述交流侧输电线另一端连接，位于两者之间并联有所述第二接地开关qs02；所述直流测量装置ct2另一端经所述换流器下桥臂阀塔与中性线区域连接；位于所述直流测量装置ct2与所述换流器下桥臂阀塔之间的线路上设置有所述直流避雷器lv2，位于所述换流器下桥臂阀塔与所述中性线区域之间的线路上依次并联设置有所述直流避雷器cbn1和第三接地开关qs03。

进一步，所述与户外极线1连接的直流断路器接线电路和与户外极线2连接的直流断路器接线电路都包括直流断路器dccb1、直流断路器检修电路、直流避雷器db1、第四接地开关qs04和直流电流测量装置ct5；所述直流断路器检修电路与所述直流断路器dccb1连接；所述直流断路器dccb1一端与所述直流汇流母线另一侧连接，所述直流断路器dccb1另一端经所述直流电流测量装置ct5与所述户外极线电气主接线电路连接；位于所述直流断路器dccb1另一端与所述直流电流测量装置ct5的线路上并联设置有所述直流避雷器db1和第四接地开关qs04。

进一步，所述直流断路器检修电路包括第五地刀qs3、带单地刀qs3的隔离开关q3、不带地刀的隔离开关q4、第六地刀qs5和带单地刀qs5的隔离开关q5；位于所述直流断路器dccb1与所述直流汇流母线之间的线路上串联有所述带单地刀qs3的隔离开关q3，在所述带单地刀qs3的隔离开关q3与所述直流断路器dccb1之间的线路上并联有所述第五地刀qs3；位于所述直流断路器dccb1与所述直流电流测量装置ct5之间的线路上串联有所述带单地刀qs5的隔离开关q5，在所述带单地刀qs5的隔离开关q5与所述直流断路器dccb1之间的线路上并联有所述第六地刀qs5；所述不带地刀的隔离开关q4跨接在带单地刀qs3的隔离开关q3和带单地刀qs5的隔离开关q5两端。

进一步，所述直流电流测量装置ct5为套管式结构，设置所述第一极线穿墙套管b3内。

进一步，所述从交流侧到极线的电气主接线电路中的第一接地开关qs01，以及所述从交流侧到中性线的电气主接线电路中的第二接地开关qs02和第三接地开关qs03均采用侧墙式接地开关。

一种基于上述系统的双极柔性直流电网极线电气主接线在线检修方法，该方法针对直流断路器进行在线检修，其包括以下步骤：1)合上不带地刀的隔离开关q4；2)断开直流断路器dccb1；3)断开带单地刀qs3的隔离开关q3和带单地刀qs5的隔离开关q5；4)合上第五地刀qs3和第六地刀qs5；5)直流断路器dccb1检修过程中，极线电流从旁路的不带地刀的隔离开关q4流通，实现极线直流断路器在线检修输送功率不中断。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的柔性直流电网极线区域电气主接线系统，具有所需设备数量少、配置紧凑、占地面积优化、经济性较高等优点，具有推广意义。2、本发明的双极带直流母线快速开关配置方案，能够在换流因故障在线快速投退而不影响剩余直流电网正常运行，节省了直流断路器数量、一次设备造价低。满足灵活的运行方式转换和检修需求，同时可以满足柔性直流电网的可靠性。3、本发明给出了利用所配置的开关进行直流断路器在线检修，不影响剩余直流电网正常运行，具有步骤简单易行、清晰明了等特点。综上所述，本发明可以广泛应用于双极带金属回线的柔性直流电网应用场合。

附图说明

图1是双极柔性直流电网整体结构示意图；

图2是本发明的极线电气主接线系统结构示意图；

图3是基于半桥子模块的模块化多电平换流器三相结构示意图；

图4是现有常规直流断路器配置方法；

图5是本发明的直流母线快速开关配置方法。

具体实施方式

如图1所示，本发明为了实现在双极柔性直流电网整体结构中，任何一条线路或换流单元的退出不影响直流电网剩余元件的正常运行，则极线高压直流断路器是必不可少的。鉴于高压特别是500kv以上的直流断路器尚无设计运行经验，实际运行中可能故障率较高，但故障时进行检修应尽量不影响剩余系统的正常运行。因此，基于此原则需要在直流断路器附近配置合理的隔离开关布置方案以便于检修。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，本发明提供一种双极柔性直流电网极线电气主接线系统，该主接线系统设置在阀厅内，其包括从交流侧到极线的电气主接线电路、从交流侧到中性线的电气主接线电路、换流器到直流汇流母线的电气主接线电路、与户外极线1连接的直流断路器接线电路和与户外极线2连接的直流断路器器接线电路。交流侧输电线一端经第一交流侧穿墙套管b1(a、b、c三相)与从交流侧到极线的电气主接线电路一端连接，从交流侧到极线的电气主接线电路另一端经换流器到直流汇流母线的电气主接线电路连接至直流汇流母线一侧。交流侧输电线另一端经第二交流侧穿墙套管b2与从交流侧到中性线的电气主接线电路一端连接，从交流侧到中性线的电气主接线电路另一端经中性线穿墙套管b5与中性线区域连接。两直流断路器接线电路一端均与直流汇流母线另一侧连接，两直流断路器接线电路另一端分别经第一极线穿墙套管b3和第二极线穿墙套管b4与户外极线1电气主接线电路、户外极线2电气主接线电路连接。

上述实施例中，优选的，从交流侧到极线的电气主接线电路包括第一接地开关(地刀)qs01(a、b、c三相)、直流测量装置ct1(a、b、c三相)、直流避雷器lv1(a、b、c三相)、换流器上桥臂阀塔(a、b、c三相)、直流避雷器cbh、电压测量装置pt1和直流电流测量装置ct3。直流测量装置ct1一端与交流侧输电线一端连接，位于两者之间并联有第一接地开关qs01；直流测量装置ct1另一端经换流器上桥臂阀塔与直流电流测量装置ct3一端连接，直流电流测量装置ct3另一端与换流器到直流汇流母线的电气主接线电路连接。位于直流测量装置ct1与换流器上桥臂阀塔之间的线路上设置有直流避雷器lv1，直流避雷器lv1一端接地；位于换流器上桥臂阀塔与直流电流测量装置ct3之间的线路上依次并联设置有直流避雷器cbh和电压测量装置pt1，直流避雷器cbh一端和电压测量装置pt1一端均接地；电压测量装置pt1用于测量极线电压，用于直流过压和欠压保护。

其中，位于直流汇流母线一侧上还设置有直流电压测量装置pt2，用于测量直流汇流母线电压。

上述各实施例中，优选的，换流器到直流汇流母线的电气主接线电路包括第一地刀qs11、第二地刀qs12、第一带双地刀的隔离开关q1(地刀分别为第一地刀qs11和第二qs12)、直流母线快速隔离开关cb1(cb1是具有直流耐压能力的交流断路器)、第三地刀qs21、第四地刀qs22、第二带双地刀的隔离开关q2(地刀分别为第三地刀qs21和第四地刀qs22)和启动回路。第一地刀qs11一端、第二地刀qs12一端、第三地刀qs21一端和第四地刀qs22一端均并联在直流电流测量装置ct3另一端与直流汇流母线之间的线路上，第一地刀qs11另一端、第二地刀qs12另一端、第三地刀qs21另一端和第四地刀qs22另一端均接地。在直流电流测量装置ct3另一端与直流汇流母线之间的线路上；位于第二地刀qs12与第三地刀qs21之间设置有直流母线快速隔离开关cb1，启动回路并联在cb1两端。

其中，启动回路包括依次串联的不带地刀的隔离开关q3、直流侧启动电阻r1和直流电流装置ct4。

上述各实施例中，优选的，从交流侧到中性线的电气主接线电路包括第二接地开关(地刀)qs02(a、b、c三相)、直流测量装置ct2(a、b、c三相)、直流避雷器lv2(a、b、c三相)、换流器下桥臂阀塔(a、b、c三相)、直流避雷器cbn1和第三接地开关(地刀)qs03。直流测量装置ct2一端与交流侧输电线另一端连接，位于两者之间并联有第二接地开关qs02；直流测量装置ct2另一端经换流器下桥臂阀塔与中性线区域连接。位于直流测量装置ct2与换流器下桥臂阀塔之间的线路上设置有直流避雷器lv2，直流避雷器lv2一端接地；位于换流器下桥臂阀塔与中性线区域之间的线路上依次并联设置有直流避雷器cbn1和第三接地开关qs03，直流避雷器cbn1和第三接地开关qs03一端均接地。

在一个优选的实施例中，测量装置的配置需要与控制保护设计保持一致。直流测量装置ct1和直流测量装置ct2测量桥臂电流，用于桥臂过流保护并与直流测量装置ct3构成电流差动保护。

上述各实施例中，优选的，与户外极线1连接的直流断路器接线电路和与户外极线2连接的直流断路器接线电路结构相同，以与户外极线1连接的直流断路器接线电路为例进行详细介绍。与户外极线1连接的直流断路器接线电路包括直流断路器dccb1、直流断路器检修电路、直流避雷器db1、第四接地开关qs04和直流电流测量装置ct5。直流断路器检修电路与直流断路器dccb1连接；直流断路器dccb1一端与直流汇流母线另一侧连接，直流断路器dccb1另一端经直流电流测量装置ct5与户外极线1电气主接线电路连接。位于直流断路器dccb1另一端与直流电流测量装置ct5的线路上并联设置有直流避雷器db1和第四接地开关qs04，直流避雷器db1和第四接地开关qs04一端均接地。

在一个优选的实施例中，直流断路器检修电路包括第五地刀qs3、带单地刀qs3的隔离开关q3、不带地刀的隔离开关q4、第六地刀qs5和带单地刀qs5的隔离开关q5。位于直流断路器dccb1与直流汇流母线之间的线路上串联有带单地刀qs3的隔离开关q3，在带单地刀qs3的隔离开关q3与直流断路器dccb1之间的线路上并联有第五地刀qs3。位于直流断路器dccb1与直流电流测量装置ct5之间的线路上串联有带单地刀qs5的隔离开关q5，在带单地刀qs5的隔离开关q5与直流断路器dccb1之间的线路上并联有第六地刀qs5；第五地刀qs3和第六地刀qs5一端均接地。不带地刀的隔离开关q4跨接在带单地刀qs3的隔离开关q3和带单地刀qs5的隔离开关q5两端。

在一个优选的实施例中，直流测量装置ct5和ct6为套管式结构，分别设置第一极线穿墙套管b3和第二极线穿墙套管b4内。

上述各实施例中，换流器采用基于模块化多电平换流器(如图3所示)。

上述各实施例中，隔离、接地开关和断路器的选择应兼顾安全性和经济性原则：(1)为保证人员、电器和母线的检修安全，检修时提供明显的电气断路点和接地点；(2)合理设置接地开关的数量和位置，保证经济性。上述主接线电路中，接地开关qs01、qs02、qs03均采用侧墙式接地开关。

上述各实施例中，直流避雷器lv1、lv2的布置需要与绝缘配合研究结论保持一致。在阀厅内直流避雷器lv1、lv2采用如下的配置和空间布置用于保护关键设备：直流避雷器主要保护换流阀与桥臂电抗间的操作冲击，需要研究的故障包括其他桥臂故障、对极桥臂故障、阀顶故障以及换流变压器阀侧故障对该点的冲击。

上述各实施例中，户外极线1电气主接线电路与户外极线2电气主接线电路相同，以户外极线1电气主接线电路为例进行详细说明。户外极线1电气主接线电路包括直流限流电抗器sr1、极线ri电容器c1、电流测量装置ct7、直流电流测量装置ct9、第七地刀qs91、第八地刀qs92、第三带双地刀的隔离开关q9、直流避雷器dl11、直流电压测量装置pt3和直流避雷器dl21。直流限流电抗器sr1一端与直流电流测量装置ct5连接，直流限流电抗器sr1另一端依次与直流电流测量装置ct9和第三带双地刀的隔离开关q9串联，经第三带双地刀的隔离开关q9与站1连接。位于直流电流测量装置ct9与直流限流电抗器sr1之间的线路上并联设置有由极线ri电容器c1和电流测量装置ct7串联构成的支路，该支路一端接地。位于直流电流测量装置ct9与第三带双地刀的隔离开关q9之间的线路上并联设置有直流避雷器dl11，在第三带双地刀的隔离开关q9两端分别并联设置有第七地刀qs91和第八地刀qs92，直流避雷器dl11、第七地刀qs91和第八地刀qs92一端接地。位于第三带双地刀的隔离开关q9与站1的连接线路上并联设置有直流电压测量装置pt3和直流避雷器dl21，直流电压测量装置pt3和直流避雷器dl21一端接地。

综上所述，当换流器因故障退出运行时，应不影响剩余直流电网的运行。常规的直流断路器配置系统如图4所示，即在直流汇流母线一侧的换流器支路也需要配置直流断路器，因为直流断路器造价十分昂贵，该方案经济性较差。本发明较常规方案改进之处在于，如图5所示，将换流器支路的直流断路器换为直流母线快速开关，直流母线快速开关是具有直流耐压能力的交流断路器。直流母线快速开关两端均配置接地开关，用于检修时提供明显的接地点和设备如阀里面存储的电荷提供泄放通路。换流器与直流汇流母线间采用直流母线快速开关。这样的优势主要体现在：1)直流母线快速开关具有一定耐压和拉弧能力，故换流器具备在线投切的功能，相较于常规直流断路器方案经济性很好；2)断路器动作时间(分闸)在40ms左右，大大缩短了因换流器故障引起停电时间。

基于上述主接线系统，本发明还提供一种双极柔性直流电网极线电气主接线在线检修方法，该方法针对直流断路器进行在线检修，以检修直流断路器dccb1为例，其包括以下步骤：

1)合上不带地刀的隔离开关q4；

2)断开直流断路器dccb1；

3)断开带单地刀qs3的隔离开关q3和带单地刀qs5的隔离开关q5；

4)合上第五地刀qs3和第六地刀qs5；

5)直流断路器dccb1检修过程中，极线电流从旁路的不带地刀的隔离开关q4流通，实现极线直流断路器在线检修输送功率不中断。

综上所述，本实施例给出的柔性直流电网极线电气主接线系统，实现不同方式的转换、绝缘配合需求、控制保护测量所需等要求；本发明的系统具有所需设备少、经济性高等特点；所设置的直流母线快速开关方案节省了直流断路器，设备造价低，直流断路器在线检修步骤具有简单清晰、方便易行等优势，从而提高了柔性直流电网的可靠性和可用率。对柔性直流电网发展具有重要发展意义。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件及步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。