直流高速并列开关关键技术研究及应用

1 引言

随着直流输电技术的不断发展，已从起初的简单端到端发展到了当前的多端直流技术，并有望在未来实现稳定的直流电网或交直流混合电网[1]。在多端直流系统中，直流高速并列开关不仅承担着隔离直流线路的故障、灵活实现第三站的在线接入与退出，对于增强系统间的柔性互联与保障投退过程的可靠性同样不可或缺[2]。HSS能够在极短的时间内实现对直流电流的导通和断开，实现对直流电流的精确控制，具有响应速度快、可靠性高、效率高、损耗小等特点。相比之下，传统开关设备在应对直流系统的高速切换需求时往往存在切换速度慢、损耗大、可靠性不足等问题，难以满足现代电力系统对于高效、灵活运行的需求[3]。因此研究 HSS 的关键技术，研制具备快速响应、低损耗和高可靠性的新型开关设备，对于提升直流电力系统的整体性能具有重要意义。

2 HSS 配置及运行工况

以某多端直流工程为例，在该工程中直流高速并列开关共有 6 台，分布在不同位置。其中 2 台位于 B 站的阀组侧、2 台位于B 站的C 侧500kV 母线上、最后2 台则位于B 站的A 侧500kV 母线上。

直流高速并列开关（HSS）主要用在多端直流输电工程中的受端换流站，用以隔离换流站内部的故障以及线路故障，此外 HSS 的操作还需要依据电站运行人员的控制策略进行分闸或合闸操作。运行方式主要包括稳定闭合、断开暂态过程、稳定断开和闭合暂态过程[3]。

1）稳定闭合：在换流站正常投入运行的过程中，对应的HSS 应保持稳定闭合状态，确保直流电流的连续传输。在这一工况下，主要承受稳态通电下的电流，其性能需满足长时间运行的要求。

2）断开暂态过程：当换流站因检修、故障或其他原因需要退出运行时，需要先将该换流站闭锁。随后，在直流线路上的残余电荷降至安全水平后，通过断开 HSS 迅速隔离故障或待检修段，保障系统其余部分的正常运行。

3）稳定断开：当换流站退出运行状态或需长期断开HSS 时，HSS 应保持稳定断开状态。断口应具备良好的绝缘性能，能够承受系统电压，确保断开状态的可靠性。由于 HSS 两侧配备了隔离开关和接地开关，进一步增强断开状态时的可靠性及安全性。

4）闭合暂态过程：需要将退出运行的换流站重新投入运行时，需要进行HSS 的合闸操作。这一过程通常涉及换流站的解锁、直流侧端口电压的调整以及 HSS 闭合条件的检查等步骤。在确保所有条件均满足后，才能执行HSS 的闭合操作，使直流系统恢复为多端运行模式。

3 HSS 关键技术研究

3.1 绝缘性能

3.1.1 绝缘性能需求

在换流站中，当第三站退出运行时，HSS 分闸操作后需进行相邻隔离开关的分闸动作，确保形成可见的隔离断口。考虑到隔离开关可能发生拒动，为确保控 系统有足够时间作出反应，要求 HSS 具备承受长时间端间直流电压的能力。HSS 断口直流电压湿耐受时间 于1 h，同时需具备耐受额定雷电冲击耐受电压和额定操作冲击电压的能力。

3.1.2 绝缘性能研究

在长时间直流电压的影响下，HSS 断口内部会因电荷在固体绝缘介质表层的不断累积，造成电场分布畸变，进而可能诱发沿面闪络现象。考虑到淋雨、雾霾等恶劣环境条件的影响，这些因素均对外绝缘的可靠性构成了挑战。

针对绝缘能力进行了静电场仿真，结果表明复合套管内外电场特性存在显著差异。因此需综合考量断口的外绝缘与内绝缘两个维度，深入开展仿真模拟与试验研究。通过结合试验数据对电场仿真计算方法进行校验与修正，进而优化绝缘结构的设计，为最终绝缘结构方案提供科学指导与坚实支撑。

3.2 直流开断能力

3.2.1 直流电流开断能力需求

在直流输电系统中，对于非退出站不移相闭锁的工况，需要 HSS 具备足够的开断能力且在开断直流电流的过程中，HSS 的断口需要承受由系统产生的直流电压差。

3.2.1 直流电流开断能力研究

与交流系统相比，直流故障电流没有自然过零点，这一特性使得直流电弧的开断更为复杂。传统上开断直流电弧需通过人工制造电流过零点或借 能量转移支路来实现，但结构复杂、成本较高。因此 HSS 的研发需要探索新的路径，在不采用震荡回路的技术路线情况下， 能在高外部电压环境下有效处理小电流的开断技术。这一技术核心在于它主要依赖电弧自身产生的高压，逐步抑制并最终将电流减至零，从而实现电弧的熄灭。

3.3 燃弧耐受能力

3.3.1 燃弧耐受能力需求

HSS 遭遇非计划跳闸，其闭合状态即刻需要断开，此时仍有电流继续流过。通过重新闭合HSS 开关来恢复闭合状态，若此重合尝试未能奏效，系统将自动启动安全程序，对涉及的三站相应极进行闭锁。闭锁前分闸状态下的HSS 持续承受电流。

3.3.1 燃弧耐受能力研究

电弧持续燃烧对开关的关键组件，特别是触头及喷口造成表面烧蚀。随着烧蚀程度的不断加剧，势必影响灭弧室内部绝缘性能，同时电弧产生的热量也会使气室内气压迅速升高。因此需要研究直流电弧燃烧对产品内部温度、气体压力的影响及电弧对开关触头的烧蚀情况。

4 HSS 关键型式试验

一般的 HSS 每台由一个单极组成，每极配用一台单极操作的液压弹簧操动机构。整体采用了单柱双断口的结构形式，布局呈现为“T”字形，集成了灭弧室、支柱、操动机构以及支架等多个关键部件。样机按国家标准要求对产品进行型式试验，以此来验证产品设计的合理性，产品依据主要技术参数，进行了绝缘试验、直流开断试验、燃弧耐受能力试验型式试验。另外产品还进行了其余的型式试验，型式试验结果满足标准要求，进一步验证了产品在设计、仿真计算的合理性及准确性。

5 结束语

本文通过对HSS 在工程中的配合与运行、关键技术研究、型式试验情况进行论述，得出了如下结论：

1）HSS 具备毫秒级开合，具备对暂态过程的精准控制，能够适应各种复杂工况，实现第三站的在线投退，有效隔离直流线路中的故障，确保系统运行的持续稳定。

2）HSS 的绝缘性能的仿真研究需要从断口外绝缘与内绝缘两个方面进行，直流开断能力需要研究不带震荡回路时在高外施电压下的小电流开断技术，燃弧耐受能力需要研究直流燃弧对开关触头的烧蚀情况和对产品压力与温度的影响。

3）HSS 产品通过了型式试验验证，综合性能指标达到国际领先水平，有力支撑了国家多项直流工程建设，促进了特高压直流输电技术跨越升级。

参考文献

[1]黎卫国,杨旭,张长虹,等.多端直流输电工程直流高速开关直流燃弧特性试验分析[J].高压电器,2021,57(08):17-22+31.

[2]吕金壮,张长虹,杨旭,等.多端直流用直流高速开关（HSS）关键性能考核技术研究综述[J].高压电器,2023,59(05):1-10+18.

[3] 傅聪, 尚茂林, 杨雪飞, 等. 昆柳龙混合直流工程的直流高速并联开关要求研究[J]. 电工技术,2022,(05):189-193+196.