來源：國家電網報
近日，張北可再生能源柔性直流電網試驗示范工程竣工投產。該工程是世界上首個具有網絡特性的直流電網工程。工程核心技術和關鍵設備均為國際首創。其中，作為工程骨干設備之一的高壓直流斷路器，其設計、研發、制造、應用等方面取得了重大突破。
電力輸送從簡單的線條向復雜的網絡發展，需要依靠高壓斷路器形成能夠開合的節點，從而實現電網各部分靈活地組合或分離。這一方面擴大了電網的規模，另一方面提高了電網對故障的冗余能力。無論是交流電網還是直流電網，高壓斷路器都是電力輸送網絡中最基礎和關鍵的設備。
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的“網絡關節”和“安全守衛”，對保障直流系統安全、經濟、靈活運行意義重大。張北可再生能源柔性直流電網試驗示范工程（以下簡稱張北柔直工程）高壓直流斷路器的研發應用填補了500千伏高壓直流斷路器產品及工程應用的國際空白，也使直流輸電向直流電網發展成為現實。
從無到有，高壓直流斷路器逐步升級
自20世紀50年代高壓直流輸電技術走向工程應用以來，世界上已有上百個直流輸電工程投入運行，大多數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絡化的方向發展。要形成直流電網，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，全球能源互聯網研究院有限公司率先提出了高壓直流斷路器構想并啟動項目研究。通過科研攻關，聯研院先后突破了高壓直流斷路器基礎理論研究、關鍵零部件研制、樣機集成及等效試驗等系列關鍵技術難題。
2014年年底，聯研院自主研發出世界首套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用于舟山五端柔性直流輸電工程，標志著國家電網公司在直流斷路器領域向前邁出一大步，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快速恢復等問題。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，并應用到真正的直流電網環境中？基于200千伏高壓直流斷路器的研發和運行經驗，聯研院繼續帶領國內各設備生產單位和高等院校開展技術攻關，在高效率電磁供能、毫秒級分斷超高速機械開關、數字化電力電子器件驅動、多模式切換控制保護裝置等關鍵零部件工程化研制方面取得突破。
2017年，聯研院研發出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用的路徑，為世界首個具有網絡特性的直流電網建設奠定了設備基礎。在張北柔直工程創造的12項“世界第一”中，就包含了當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）。
創新攻關，破解500千伏高壓直流斷路器研發難題
±500千伏張北柔性直流電網要求作為主保護裝置的高壓直流斷路器在3毫秒內完成故障電流開斷，并且能夠快速可靠實現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，實現換流站在直流電網中的靈活投退。
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面臨的挑戰主要來自三方面：首先，需要人工構建電流零點，強制扭轉數萬安電流的發展趨勢；其次，需要在耐受數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中極為罕見，相當于讓速度100千米/小時行駛的火車在8厘米內完成制動；最后也是最關鍵的，開斷要快，要比人眨眼快一萬倍。
科技攻關團隊采用“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，首創的級聯全橋混合式高壓直流斷路器拓撲解決了25千安電流人工零點構建的難題；深度揭示多物理量交互路徑，在多時間尺度下實現分層分段應力解耦，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運行邊界，通過智能協調技術實現了開斷時間小于2.5毫秒。
基于這些科學理論和工程技術成果，500千伏高壓直流斷路器在各科研院所和產業單位的共同努力下實現工程化落地，并由5家設備制造商完成技術成果轉化。
成功應用，推動直流輸電向直流電網方向發展
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，在各直流輸電線路兩側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。張北、康保、豐寧、北京4個換流站內各配置了4臺高壓直流斷路器。
為了保證設備穩定運行，從運抵工程現場到正式投運之前，500千伏高壓直流斷路器還經歷了兩個階段的檢測。
在組裝完成、未接入柔性直流電網時，技術人員進行了高壓直流斷路器現場試驗。現場試驗是型式試驗的簡化版，相當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場安裝可能給設備造成的損害。現場試驗中，技術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前功能完備。
在高壓直流斷路器接入柔性直流電網并配合整個直流系統完成聯調后，就要開展人工短路試驗。此時整個柔性直流系統的所有設備準備就緒，柔性直流系統調試運行與正常投運無異。人工短路試驗相當于高壓直流斷路器正式投運前的一次“軍事演習”，就是在真實的運行工況下，通過人工操作去模仿自然環境下直流線路可能出現的短路故障，來檢測高壓直流斷路器在真實電網運行環境中能否按要求實現保護功能。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毫秒內完成開斷并實現重合閘操作。試驗的成功為工程的正式投運奠定了扎實基礎。
作為電力系統中的一種全新設備，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濟的直流電網方向發展的技術瓶頸，大幅提升了我國電力電子裝備的國際影響力。
