直流断路器电流开断试验技术研究

直流断路器电流开断试验技术研究

潘晓璐

关键词：断路器；直流断路器；电流开断试验

1引言

高压直流断路器是柔性直流电网工程的核心设备之一。作为主保护装置，高压直流断路器配置在换流站出口侧，可在数毫秒内完成故障电流开断，并且快速、可靠地实现故障线路的隔离及重合，同时具备带电投切能力，以实现换流站在直流电网中灵活投退。高压直流断路器集中了机械式高压直流断路器和固态式高压直流断路器的优点，具备开关良好的静态特性和电力电子器件良好的动态性能，是柔性直流工程中高压直流断路器的主流技术路线。高压直流断路器作为电力电子技术领域新型的高端电力装备，其工作原理和运行工况均有别于传统的交流断路器或中低压应用领域的直流断路器，迄今为止其电气试验尚没有可以参照的国际或国家标准。为验证高压直流断路器设计的合理性和正确性，准确反映断路器电、热与机械等性能，开展高压直流断路器相关试验方法研究迫在

眉睫。

高压直流断路器运行状态分为稳态运行和暂态运行。当断路器处于分闸状态和合闸状态时，断路器运行于稳态条件下;当断路器处于分闸状态与合闸状态之间的切换过程时，即处于合闸过程和分闸过程时，断路器运行于暂态条件下。暂态运行中分闸过程的实现体现了高压直流断路器最核心的功能，即分断功能。当柔性直流电网系统发生最严酷短路故障(双极短路)情况，直流母线上故障电流应力最大，分断此时的短路电流是对直流断路器性能最严苛的考察。

直流断路器分断试验为运行试验中最为核心的试验，其有效性直接关乎直流断路器电气性能的验证。目前，国内国际都没有成熟的分断试验平台。KEMA实验室提出了基于LC电源和低频短路发电机电源的分断试验方法的构想，但其相关理论及应用实践仍处于空白。

2中低压直流断路器电流开断试验回路及试验技术

2.1中低压直流断路器电流开断原理

目前，应用在中低压直流断路器直流电流开断的主要技术：

1)电弧拉伸技术。中低压机械式直流断路器通过电弧拉伸来开断直流电流，其开断原理见图1。

式(1)中，当(E-Ri)<uarc时，则di/dt<0，为直流电弧能够熄灭的条件，这意味着电源电压不足以维持电弧电压或电弧能量，在此情况下直流电弧电流不断减小，最终熄灭。

目前，应用在低压直流电网中的空气直流断路器灭弧室采用金属栅片灭弧室结构。电弧在开断过程中受吹弧磁场和气压的作用从触头间向灭弧栅片运动，以此来增大电弧电压，为直流电流开断创造有利的条件，使直流断路器能够开断直流电流。

2)固态器件开断技术。基于半导体器件的中低压固态直流断路器通过电力电子器件的自关断能力来开断直流电流，这类型断路器需要配备专门的辅助保护设备来吸收能量和限制过电压，以此来保护固态器件。

3)混合开断技术。中低压混合直流断路器结合了机械式开断电流大、固态断路器开断时间段的优点，其开断原理见图2。当主开关断开时，触头间产生的电弧强迫电流进入固态开关支路，并由固态开关开断转移的直流电流，能量吸收装置用来限制开断过程中的过电压、并吸收能量，辅助开关清除剩余电流以保护避雷器的热过载。

2.2中低压直流断路的开断要求

依据国家标准《GB/T25890.2—2010直流开关设备第2部分：直流断路器》，在城市城市轨道交通、船舶电力等领域的中低压直流电网中，直流断路器主要电流开断试验项目及试验参数见表1。通常中低压直流断路器由其在系统中的功能可以分为互联断路器

(I)、线路断路器(L)、整流断路器(R)3种。虽然标准中界定了不同类型的断路器适用的试验方式，但在具体执行试验时可以根据客户需求增加部分试验方式。特别需要说明的是IEC标准和国家标准均未对低压直流断路器的预期暂态恢复电压(TRV)做出定量的要求，这是由于直流电流开断的TRV与断路器自身有很大的关系，其取决于断路器的开断特性、直流电网的感抗以及过电压吸收装置。然而，在交流电流开断的TRV主要取决于电力网络自身的拓扑结构，断路器对TRV的影响很小。

2.3中低压直流断路电流开断试验回路设计与实施

中低压直流断路器电流开断试验回路主要采用直接法，采用AC/DC变流器作为被试断路器的试验电源，这种方法能够满足中低压直流断路器电流开断试验对试验电流(短路电流：31.5kA~125kA)和试验电压的需求。西安高压电器研究院有限责任公司(XIHARI)大容量试验站进行中低压直流断路器电流开断试验的电气原理见图3。电源可以来源于大容量试验站的冲击发电机，也可以来源于变电站的高压专供线路。通常进行短路性能试验时，由于所需要的短路试验容量比较大，由冲击发电机提供短路试验容量；其他开断试验电流比较小、试验容量低的试验，考虑到经济性，可以从交流电网获取试验容量

除了最大故障(出口端短路)试验外，均需要接入一定的负载侧电阻RL、电感LL来实现试验时对试验电流、时间常数（响应时间）的要求。最大能量、远端故障、电起耐久性试验预期参数仿真结果见图5。仿真结果表明按照实际试验回路搭建的仿真模型验证了实际的试验回路完全能够提供满足客户需求和标准要求的试验电流和时间常数(63ms)。XIHARI大容量试验站进行1.8kV/80kA直流开关试验回路的开路调试和短路调试结果，通过改变图1中短路变压器的降压变比，提高整流侧的电源电压，理论上试验容量可以满足4kV/125kA直流断路器的试验需求，进一步通过新增整流装置，可以满足额定电压10kV及以下、额定短路开断电流125kA及以下的直流断路器的试验需求。

3高压直流断路器开断试验技术

3.1高压直流断路器的电流开断技术

目前，应用在高压直流断路器直流电流开断的主要技术有：

1)无源补偿技术(自激振荡法)。采用这种技术的机械式高压直流断路器其开断原理见图8。利用电弧的负阻抗特性，在电弧通道上并联LC支路，电弧的动态特性将与并联电容、电感形成对主回路的负阻尼振荡。随着触头的运动和电流不断地减小，电弧电压不断地上升，将进一步增大负阻尼振荡，不断增大的振荡电路叠加在电弧电流上，使电弧电流强迫过零，从而实现高压直流电网中电流的开断。这种开断方式由于靠断路器自身的条件来开断直流电流，所以开断容量有限，通常仅适用于切除幅值不太大的直流电流。

3)混合开断技术。混合式高压直流断路器也采用有触点的机械开关与无触点的电力电子器件相结合构成的混合直流开断技术，其开断原理见图2。不同的是，混合式高压直流断路器在设计时采用气体介质的机械开关和容量大、耐压等级高的固态开关。

3.2高压直流断路短路开断的要求

目前，国际大电网会议已经成立了工作组对直流短路开断的工况和条件进行专项研究，但尚未有正式出版和发行的针对高压直流断路器开断电流电网的试验项目和试验方式的IEC标准或者国家标准。多数情况下，都是由用户根据实际工程需求提出试验参数，试验站负责试验实施并通过试验来评估或验证产品的开断性能。不同高压直流输电网中的直流断路器要根据系统的需求，必须在短时间内开断正在上升的短路电流，以避免持续上升的短路电流对直流电网造成重大威胁。特别地，基于VSC-HVDC的高压直流电网中的故障电流上升率要高于基于LCC-HVDC的高压直流电网，这是由于LCC-HVDC直流输电技术具有限制故障电流的能力，而VSC-HVDC直流输电技术不具有限制故障电流的能力。高压直流断路器在开断直流电流的过程中，需要自身创造电流过零点，同时耗散存储在系统电感中的能量，并承担开断过程中和开断后的瞬态电压。由于电弧通道引入了并联支路的高频电流而强迫过零，因此直流电流开断瞬间，断路器断口两端会承受很高的过电压。由于过电压与断路器的开断特性、并联支路的振荡特性，以及主电路与并联支路的暂态过程有关，所以在断路器两端通过并联避雷器来限制过电压和吸收能量，以此来降低或消除对断路器和系统的危害。

3.3高压直流断路器电流开断试验回路设计

基于有源补偿技术的高压直流断路器直接试验回路见图11。试验回路的主要组成部分为：①电源回路，由主电容器CS、电抗L、间隙GP1组成，为直流断路器提供短路试验电流及开断后的恢复电压；②有源补偿回路，由电容器C0、电抗L0、间隙GP2组成，为开断过程中电弧通道提供高频的振荡电流；③辅助设备元件，辅助开关AB1、辅助开关AB2及避雷器MOV

XIHARI大容量试验站所设计的中低压直流断路器电流开断试验回路一期调试结果为额定电压2kV、额定短路电流82.6kA/峰值126.2kA，根据设备参数预期的理论试验容量可以满足4kV/125kA直流断路器的试验需求。进一步给出了高压直流断路器电流开断的合成和直接试验回路，并给出了以直接试验回路进行试验时的典型试验波形图。

参考文献

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