來源：國家電網(wǎng)報
近日，張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程竣工投產(chǎn)。該工程是世界上首個具有網(wǎng)絡(luò)特性的直流電網(wǎng)工程。工程核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備均為國際首創(chuàng)。其中，作為工程骨干設(shè)備之一的高壓直流斷路器，其設(shè)計、研發(fā)、制造、應(yīng)用等方面取得了重大突破。
電力輸送從簡單的線條向復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，需要依靠高壓斷路器形成能夠開合的節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)各部分靈活地組合或分離。這一方面擴(kuò)大了電網(wǎng)的規(guī)模，另一方面提高了電網(wǎng)對故障的冗余能力。無論是交流電網(wǎng)還是直流電網(wǎng)，高壓斷路器都是電力輸送網(wǎng)絡(luò)中最基礎(chǔ)和關(guān)鍵的設(shè)備。
高壓直流斷路器就是切斷直流電流的裝備。完成直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式切換和線路故障清除是它的兩大主要功能。高壓直流斷路器也因此被稱為直流電網(wǎng)的“網(wǎng)絡(luò)關(guān)節(jié)”和“安全守衛(wèi)”，對保障直流系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、靈活運(yùn)行意義重大。張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程（以下簡稱張北柔直工程）高壓直流斷路器的研發(fā)應(yīng)用填補(bǔ)了500千伏高壓直流斷路器產(chǎn)品及工程應(yīng)用的國際空白，也使直流輸電向直流電網(wǎng)發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)。
從無到有，高壓直流斷路器逐步升級
自20世紀(jì)50年代高壓直流輸電技術(shù)走向工程應(yīng)用以來，世界上已有上百個直流輸電工程投入運(yùn)行，大多數(shù)采用點(diǎn)對點(diǎn)輸電的形式。高壓直流斷路器的缺乏制約了直流輸電向網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。要形成直流電網(wǎng)，迫切需要制造出能快速切斷大電流的高壓直流斷路器。
2012年，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司率先提出了高壓直流斷路器構(gòu)想并啟動項(xiàng)目研究。通過科研攻關(guān)，聯(lián)研院先后突破了高壓直流斷路器基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵零部件研制、樣機(jī)集成及等效試驗(yàn)等系列關(guān)鍵技術(shù)難題。
2014年年底，聯(lián)研院自主研發(fā)出世界首套200千伏高壓直流斷路器樣機(jī)。2016年年底，200千伏高壓直流斷路器成功應(yīng)用于舟山五端柔性直流輸電工程，標(biāo)志著國家電網(wǎng)公司在直流斷路器領(lǐng)域向前邁出一大步，也填補(bǔ)了國際上高壓直流斷路器工程應(yīng)用的空白。投運(yùn)以來，200千伏高壓直流斷路器累計完成60余次系統(tǒng)切換、4次直流海纜單雙極接地短路故障清除，解決了該工程的帶電投退、快速故障隔離和故障后系統(tǒng)快速恢復(fù)等問題。工程可用率從87%提升至99%，共計增加輸電量10.5億千瓦時。項(xiàng)目成果顯著提升了舟山五端柔性直流輸電工程運(yùn)行的靈活性與可靠性。
能否將高壓直流斷路器的電壓等級提升到500千伏，并應(yīng)用到真正的直流電網(wǎng)環(huán)境中？基于200千伏高壓直流斷路器的研發(fā)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)研院繼續(xù)帶領(lǐng)國內(nèi)各設(shè)備生產(chǎn)單位和高等院校開展技術(shù)攻關(guān)，在高效率電磁供能、毫秒級分?jǐn)喑咚贆C(jī)械開關(guān)、數(shù)字化電力電子器件驅(qū)動、多模式切換控制保護(hù)裝置等關(guān)鍵零部件工程化研制方面取得突破。
2017年，聯(lián)研院研發(fā)出500千伏高壓直流斷路器樣機(jī)，并完成了型式試驗(yàn)，初步摸清了500千伏高壓直流斷路器工程化應(yīng)用的路徑，為世界首個具有網(wǎng)絡(luò)特性的直流電網(wǎng)建設(shè)奠定了設(shè)備基礎(chǔ)。在張北柔直工程創(chuàng)造的12項(xiàng)“世界第一”中，就包含了當(dāng)前世界上最高電壓等級、最大開斷能力的直流斷路器（535千伏、25千安、3毫秒）。
創(chuàng)新攻關(guān)，破解500千伏高壓直流斷路器研發(fā)難題
±500千伏張北柔性直流電網(wǎng)要求作為主保護(hù)裝置的高壓直流斷路器在3毫秒內(nèi)完成故障電流開斷，并且能夠快速可靠實(shí)現(xiàn)故障線路的隔離及重合。同時，張北柔直工程高壓直流斷路器還需要具備帶電投切能力，實(shí)現(xiàn)換流站在直流電網(wǎng)中的靈活投退。
與交流斷路器在交流周期中的電流零點(diǎn)處開斷截然不同，直流電流沒有零點(diǎn)，用常規(guī)的機(jī)械力量無法切斷直流電弧，必須另辟蹊徑。
500千伏高壓直流斷路器研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)主要來自三方面：首先，需要人工構(gòu)建電流零點(diǎn)，強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)數(shù)萬安電流的發(fā)展趨勢；其次，需要在耐受數(shù)十萬伏高壓的同時耗散百兆焦級能量，這種強(qiáng)度的電磁沖擊在電力系統(tǒng)中極為罕見，相當(dāng)于讓速度100千米/小時行駛的火車在8厘米內(nèi)完成制動；最后也是最關(guān)鍵的，開斷要快，要比人眨眼快一萬倍。
科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)采用“三步走”策略逐級攻破這三大難題——充分挖掘高壓大容量直流開斷機(jī)制機(jī)理，首創(chuàng)的級聯(lián)全橋混合式高壓直流斷路器拓?fù)浣鉀Q了25千安電流人工零點(diǎn)構(gòu)建的難題；深度揭示多物理量交互路徑，在多時間尺度下實(shí)現(xiàn)分層分段應(yīng)力解耦，解決了百兆焦級能量的電磁沖擊阻斷難題；拓展可控型電力電子器件和超高速機(jī)械開關(guān)運(yùn)行邊界，通過智能協(xié)調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開斷時間小于2.5毫秒。
基于這些科學(xué)理論和工程技術(shù)成果，500千伏高壓直流斷路器在各科研院所和產(chǎn)業(yè)單位的共同努力下實(shí)現(xiàn)工程化落地，并由5家設(shè)備制造商完成技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。
成功應(yīng)用，推動直流輸電向直流電網(wǎng)方向發(fā)展
張北柔直工程是一個典型的雙極四端“口”字型柔性直流電網(wǎng)，在各直流輸電線路兩側(cè)配置高壓直流斷路器。該工程共8條直流輸電線路，每條直流輸電線路兩端各需配置1臺高壓直流斷路器，共配置16臺。16臺高壓直流斷路器安裝在直流輸電線路兩端的換流站閥廳內(nèi)。張北、康保、豐寧、北京4個換流站內(nèi)各配置了4臺高壓直流斷路器。
為了保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，從運(yùn)抵工程現(xiàn)場到正式投運(yùn)之前，500千伏高壓直流斷路器還經(jīng)歷了兩個階段的檢測。
在組裝完成、未接入柔性直流電網(wǎng)時，技術(shù)人員進(jìn)行了高壓直流斷路器現(xiàn)場試驗(yàn)。現(xiàn)場試驗(yàn)是型式試驗(yàn)的簡化版，相當(dāng)于高壓直流斷路器工作前的最后一次全面“身體檢查”，主要為了排除長途運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝可能給設(shè)備造成的損害?，F(xiàn)場試驗(yàn)中，技術(shù)人員實(shí)施了模擬直流斷路器運(yùn)行工況的各種試驗(yàn)項(xiàng)目，以確保直流斷路器在接入電網(wǎng)前功能完備。
在高壓直流斷路器接入柔性直流電網(wǎng)并配合整個直流系統(tǒng)完成聯(lián)調(diào)后，就要開展人工短路試驗(yàn)。此時整個柔性直流系統(tǒng)的所有設(shè)備準(zhǔn)備就緒，柔性直流系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行與正常投運(yùn)無異。人工短路試驗(yàn)相當(dāng)于高壓直流斷路器正式投運(yùn)前的一次“軍事演習(xí)”，就是在真實(shí)的運(yùn)行工況下，通過人工操作去模仿自然環(huán)境下直流線路可能出現(xiàn)的短路故障，來檢測高壓直流斷路器在真實(shí)電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境中能否按要求實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。6月9日，張北柔直工程康保換流站人工短路試驗(yàn)順利完成，500千伏高壓直流斷路器在3毫秒內(nèi)完成開斷并實(shí)現(xiàn)重合閘操作。試驗(yàn)的成功為工程的正式投運(yùn)奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。
作為電力系統(tǒng)中的一種全新設(shè)備，張北柔直工程500千伏高壓直流斷路器突破了直流輸電向更為靈活經(jīng)濟(jì)的直流電網(wǎng)方向發(fā)展的技術(shù)瓶頸，大幅提升了我國電力電子裝備的國際影響力。
