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，從而實現(xiàn)電網(wǎng)各部分靈活地組合或分離。這一方面擴大了電網(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、靈活運行意義重大。張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程（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。
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行，大多數(shù)采用點對點輸電的形式。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、樣機集成及等效試驗等系列關(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。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，也填補了國際上高壓直流斷路器工程應(yīng)用的空白。投運以來，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。項目成果顯著提升了舟山五端柔性直流輸電工程運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)和運行經(jīng)驗，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，并完成了型式試驗，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“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處開斷截然不同，直流電流沒有零點，用常規(guī)的機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，強制扭轉(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)團隊采用“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制機理，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械開關(guān)運行邊界，通過智能協(xié)調(diào)技術(shù)實現(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)定運行，從運抵工程現(xiàn)場到正式投運之前，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?，F(xiàn)場試驗是型式試驗的簡化版，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輸和現(xiàn)場安裝可能給設(shè)備造成的損害。現(xiàn)場試驗中，技術(shù)人員實施了模擬直流斷路器運行工況的各種試驗項目，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。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)試運行與正常投運無異。人工短路試驗相當(dāng)于高壓直流斷路器正式投運前的一次“軍事演習(xí)”，就是在真實的運行工況下，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電網(wǎng)運行環(huán)境中能否按要求實現(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)完成開斷并實現(xiàn)重合閘操作。試驗的成功為工程的正式投運奠定了扎實基礎(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。
