清华团队助力世界首个超高压柔直电网工程

6月9日

在康巴诺尔换流站人工短路试验现场

随着一道弧光闪烁

阜诺线535kV直流断路器

在3ms内完成开断并实现重合闸操作

这标志着

由清华大学和北京电力设备总厂

联合研制的535kV直流断路器

圆满完成人工短路试验

创新直流开断技术和关键指标

达到国际领先水平

人工短路试验

是直流电网调试阶段中

最为严苛的试验项目

本次试验的成功

验证了清华首创的

直流开断技术先进性及断路器性能

为工程的正式投运奠定了扎实基础

世界首个真正具有网络特性的超高压柔性直流电网

康巴诺尔换流站所在的张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程（简称张北柔直工程）是世界上首个真正具有网络特性的超高压柔性直流电网工程，也是世界上电压等级最高（±500kV）、输送容量最大（最大输送能力4500MW、总换流容量9000MW）的柔性直流电网工程，工程核心技术和关键设备均为国际首创。作为2022年北京冬奥会重点配套工程，对于实现“零碳奥运”具有重要意义。

±500kV康巴诺尔换流站鸟瞰图

±500kV柔性直流电网示意图

作为柔性直流电网的核心装备之一，直流断路器起到关合、承载和开断正常回路条件下的电流、转换系统运行方式以及切断故障电流对系统实行保护等重要作用。由于直流电流无自然过零点，需强迫过零，同时要综合考虑燃弧时间和系统过电压，因此开断直流电流相比开断交流电流要困难很多，高压直流断路器成为直流电网技术发展和应用的瓶颈。

张北柔直工程采用混合式、机械式、耦合负压式三种技术方案。其中清华大学与北电联合研制的直流断路器，采用创新型全自主知识产权的耦合负压技术路线，为张北柔直电网阜诺线的可靠、灵活、经济运行提供重要保障。

清华首创耦合负压直流断路器拓扑，攻克世界性直流开断技术难题

国际大电网会议(CIGRE)曾指出：“大容量直流开断是一个世界性的难题”。面向高压直流电网中的故障清除需求，以攻克世界性直流开断技术难题为目标，由清华大学电机系曾嵘教授、余占清副教授、黄瑜珑副教授等师生和科研人员组成的直流技术研究团队，依托清华大学电机系、能源互联网创新研究院、清华四川能源互联网研究院组成的“一系两院”攻关平台，在国际上首创耦合负压混合式直流断路器拓扑结构，突破低损耗高可靠换流技术，解决电力电子开关双向可控通流及高效大容量开断问题等，研究成果完善了大容量直流超快速开断理论和技术体系；并与北电联合研制2台超高压535kV直流断路器用于张北柔直工程。人工短路试验的成功验证了耦合负压技术路线的优异性能。

清华和北电联合研制的535千伏耦合负压混合式直流断路器

耦合负压混合式直流断路器 4 大技术优势

技术优势 1

低损耗高可靠的整体拓扑结构。包括仅由机械开关串联组成的主通流支路、电力电子开关构成的转移支路和避雷器组成的能量吸收支路三个主要支路，突破了混合式断路器的冷却方式瓶颈，通态损耗显著降低，无需水冷散热，节省空间，可靠性高，运行维护成本低。

耦合负压混合式直流断路器结构示意图

技术优势 2

高冗余快恢复的主通流支路。主通流支路中快速机械开关采用多个100kV真空开关串联，恢复快，可靠性高，单个真空开关电压等级达到世界领先水平。

技术优势 3

高可控高可靠的故障换流方案。采用耦合负压装置实现换流，换流最大时间由断路器内部电路参数决定，可保证-25kA~0~+25kA全电流范围内高速可靠换流；不存在小电流情况下换流时间长的问题，可控性强。

技术优势 4

高裕度高稳定性的电力电子开关。转移支路采用基于常规恢复速度二极管和复合非线性阻抗的交叉桥式电力电子单元拓扑，比传统断路器方案节省40%的成本，关断电流裕度大，可靠性高。

重要意义

经过多年的创新研究和技术积累，清华大学已从拓扑结构、换流方式、产品研制、工程应用等方面突破了直流断路器关键技术，实现了直流断路器系列化研制和规模化应用。

至此，已研制成功375V/480V/10kV/40kV/80kV/500kV直流断路器、目前世界上首套三端口直流断路器，以及世界上电压电流等级最高、开断能力最强的535kV直流断路器；并已与北京电力设备总厂、泰开集团等企业完成成果产业化开发，在珠海唐家湾直流配电网、东莞交直流混合配电网、苏州吴江直流配电网、张北柔直电网等工程中得到规模化应用，保障了多个直流工程的安全可靠运行，具有重要的学术意义和工程应用价值。

阜诺线535kV直流断路器人工短路试验现场

此次535kV直流断路器成功在张北柔直工程中示范应用，不仅实现了科研服务国家重大战略需求的新突破，同时也对推动我国装备制造的自主创新能力、助力我国柔性直流电网技术持续进步具有重要意义。