0 引言

基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的柔性直流输电技术具有控制灵活、有功和无功功率独立控制、无需换相等特点，可应用于清洁能源并网、交流电网的异步互联、直流输配电网、孤岛供电等领域^[1-2]，因此受到越来越多的关注。柔性直流电网是一个具有“网孔”的柔性直流输电系统，换流站之间有多条直流线路通过直流断路器连接，具有多种运行方式，满足N-1运行原则^[3]。目前世界首个±500 kV/3000 MW的四端柔性直流环形电网——张北柔性直流电网已经成功投入运行。

高压直流断路器作为柔性直流电网的核心设备，需具备毫秒级的开关能力，以保证直流电网的稳定运行^[4-8]。张北柔性直流电网（以下简称张北柔直电网）采用了混合式、耦合负压式、机械式三种不同技术路线的500 kV直流断路器，目前对高压直流断路器的研究主要集中在分断特性、拓扑结构、供能系统、性能试验^[9-13]，对直流断路器在现场的实际应用分析较少。

由于500 kV机械式直流断路器首次应用于直流工程，缺乏现场实际运行数据，对其运行可靠性不得而知。因此，本文以张北柔直电网机械式断路器分闸过程中引起直流母线过电压保护动作事件为例，分析机械式直流断路器分断过程及造成直流母线过电压的原因，提出相应的整改措施，并通过仿真验证改进措施的有效性。

1 ±500 kV张北柔性直流电网结构

张北柔直电网结构如图 1所示，采用“直流断路器+架空线路”技术路线，4座换流站“手拉手”成网，真双极结构，包括正极层、金属回线层、负极层，其运行特点为：

（1）毫秒级的时间内切除直流线路瞬时接地故障，并完成重合闸。

（2）直流线路故障退出运行，极不闭锁，可以正常运行。

（3）极闭锁，直流线路可继续正常运行。

2 500 kV机械式直流断路器结构及原理

机械式直流断路器采用有源振荡、人工过零的开关原理，拓扑结构主要包括主支路、转移支路、缓冲支路、耗能支路四部分，如图 2所示。

主支路：由多断口快速断路器串联而成，用于导通与开断直流系统电流。

转移支路：主要由储能电容C₁、振荡电感L、IGCT（Integrated Gate- Commutated Thyristor，IGCT）阀组串联构成转移支路主回路，通过转移支路LC振荡，制造主支路电流过零。

缓冲支路：主要由缓冲电容C₂、限流电阻R₂串联而成，主要用来限制断路器开关后的断口恢复电压上升率。

耗能支路：由多组避雷器（MOV）串并联而成，用于抑制开关过电压和吸收线路及平抗存储能量。

机械式直流断路器分断原理^[14-16]如下：

（1）断路器接收到保护动作命令，主支路快速断路器执行分闸命令。

（2）转移支路触发导通，电感、电容开始振荡，转移支路振荡电流与主支路电流进行叠加，主支路产生电流过零点，主支路快速断路器熄弧，主支路电流开断。

（3）线路对转移支路电容充电，避雷器两端建立断口过电压，避雷器动作，线路电流由转移支路转移至耗能支路。

3 分闸过电压故障分析 3.1 故障概况

故障前，张北柔直电网负极端对端运行，直流运行电压-500 kV，输送功率0 MW，送端换流站处于孤岛控制模式，受端换流站处于定直流电压控制模式。故障时，送端换流站故障，闭锁本站换流阀、跳本站直流断路器。受端换流站极控制装置录波如图 3所示，受端换流站接收站间协调控制优化指令闭锁本站换流阀、跳本站直流断路器。受端换流站站控制装置录波见图 4，换流阀闭锁后，直流母线电压变为-420 kV，约60 ms后，分断机械式直流断路器，分断时刻直流母线过压，1 s后直流母线过压保护Ⅲ动作。直流母线过压保护定值为-600 kV，延时1 s，保护动作正确。

3.2 原因分析 3.2.1 直流母线

分断机械式直流断路器时，换流阀已闭锁，因此负极直流母线电压没有换流阀子模块电容支撑，仅为负极直流母线对地电容（大小为nF级）。

3.2.2 直流线路

机械式直流断路器所在线路全长205.1 km，存在对地电容（大小为μF级），换流阀闭锁后，对地电压为420 kV。

3.2.3 机械式直流断路器

机械式直流断路器与负极直流母线、直流线路构成的回路如图 5所示。换流阀闭锁后，分闸工况为母线带电压无负载开断，此情况下机械式直流断路器分闸到有效开距时，其主支路已无电流，处于断开状态，此时触发转移支路IGCT阀组导通，转移支路电容、电感无法与主支路形成闭合的振荡回路，快速放电，导致转移支路储能电容电压250 kV，叠加直流线路对地电容电压，负极直流母线过压。

3.3 风险分析

直流电网具有多种运行方式，张北柔直电网有56种基础运行方式，分断机械式直流断路器导致直流母线过压保护动作，将扩大停电范围。

正常情况下，张北柔直电网四端全接线运行，当负极线路上发生瞬时故障，断路器重合闸成功，系统继续四端全接线运行。若机械式直流断路器在分闸过程中导致直流母线过压保护动作，则负极换流器闭锁，两条直流线路跳闸，再经运行方式优化后，张北直流电网处于四端正极运行方式，扩大停电范围，如图 6所示。

4 改进措施

改变机械式直流断路器转移支路电容的极性，使转移支路电容电压与直流线路对地电压相互抵消，而不是现在的叠加。对于正极直流母线，机械式直流断路器转移支路电容改为母线侧为负；对于负极直流母线，机械式直流断路器转移支路电容改为母线侧为正。

通过仿真对比机械式直流断路器转移支路电容电压极性调整前后负极直流母线电压，仿真工况为零功率，因此可模拟单端换流阀处于空载加压状态下，换流阀闭锁，机械式直流断路器分断的工况，相关串联电抗器可忽略不计，仿真模型如图 7所示，仿真参数如表 1所示。图 8为改进前仿真结果，在1 s时刻分断机械式直流断路器，直流母线出现过压，与实际故障相吻合。图 9为改进后仿真结果，在1 s时刻分断机械式直流断路器后，直流母线未出现过电压。通过对比验证了改进方法的有效性。

以负极为例，改进前机械式直流断路器转移支路电容充电回路如图 10所示。调整直流断路器转移支路每一层整流二极管的安装方向，从而改变转移支路中的电容极性，如图 11所示。

应注意：改进后，上电前，储能电容、充电电容应进行充分放电。放电形式及要求：电容间短接，放电时间为3天。

5 结论

本文针对张北柔直电网某±500 kV换流站运行期间，机械式直流断路器在分断过程中导致负极直流母线过压问题进行分析并整改，得出以下结论。

（1）柔直电网运行方式较多，直流断路器的不正确动作可能引起其他保护动作，将改变柔直电网运行方式，甚至扩大事故范围。

（2）柔直电网中的直流断路器采用不同技术路线，对应的结构差别很大，对直流系统的影响也各不相同。采用机械式直流断路器时，由于转移支路电容的存在，可能会造成直流母线过压。

（3）通过改变机械式直流断路器转移支路电容充电回路中的整流二极管的方向，可解决机械式直流断路器在分断过程中导致负极直流母线过压问题。