高压直流断路器试验技术研究

高压直流断路器试验技术研究

佟志鹏 郭润国 陈章程

平高集团有限公司 河南省平顶山市 467000

摘要：高压直流断路器是系统的关键部件之一，直流断路器是最为主要的保护设备，要求在几个毫秒内实现切除系统中发生的短路故障，可以快速、可靠地实现对系统中故障部分的隔离，以及快速、可靠地重合线路。直流断路器的目的是在于保障直流电网的安全稳定运行，提高直流电网可靠性。

关键词：高压；直流断路器；试验

前言

随着中国电力工业的快速发展，高压直流输电在技术和工程应用方面走在了世界的前列。目前，主要有基于线路换相的LCC⁃HVDC高压直流输电技术和基于器件换相的VSC⁃HVDC高压直流输电技术，前者主要用于点对点的两端直流输电系统，后者主要用于多端、网状的柔性直流输电系统。

1直流断路器系统组成及工作原理

1.1系统组成

直流系统的电流为单极性、无过零点，直流断路器不能像交流断路器那样通过电流的自然过零点而熄弧开断，因此从技术上必须为直流断路器创造电流零点，实现直流电流的开断。直流断路器主要由主支路、转移支路、耗能支路、缓冲支路、供能系统等五部分组成，通过一定的动作时间顺序，可以在直流断路器的几个部分间实现电流的转移和耗散，为直流断路器创造人工过零点，实现直流电流的开断。

主支路：由多断口快速断路器串联构成，用于导通与开断直流系统电流。主支路由多个个快速断路器断口组成。

转移支路：由电抗器，预储能电容器和快速放电开关构成。

耗能支路：由多组避雷器通过串联的形式组成，每组避雷器根据需要由一定数量的避雷器并联组成，其用于抑制电流转移过程中的过电压和吸收线路及平抗器上储存的磁场能量。

供能系统：由UPS、500kV主供能变、快速断路器供电隔离变组、转移支路供电隔离变组、升压变、PT供电隔离变组成。

1.2工作原理

直流断路器一旦接到直流电网系统下发的分闸指令，首先，主支路断路器开始分闸，当其达到一定开距时，转移支路快速放电开关导通，投入反向电流，转移支路电容反向充电，高频电流与短路电流叠加流过主支路断路器，电流零点主支路断路器开断，电流转移至换流支路，主支路断路器断口电压快速上升，当电压超过MOV启动电压并使其导通，电流转移至耗能支路，转移支路快速放电开关关断。最终，MOV将线路电流限制到零，断路器端间建立稳态电压，完成一次分闸。

2直流断路器容量试验项目及参数要求

直流断路器容量试验主要有，主支路、转移支路的短时电流耐受试验，额定短路故障电流、额定工作电流和小电流开断试验，以及关合额定短路故障电流试验、重合闸短路故障开断试验。

2.1主支路短时电流耐受试验

主支路短时电流耐受试验主要是为了检验主支路快速机械开关短时耐受电流能力。短时电流耐受试验通过将试品接入电流源来考核。试验电流应分为两个阶段。第一阶段试验电流为4.5kA过负荷电流且持续1min，然后立即耐受的第二阶段试验。在第2阶段第3ms快速机械开关开始快分，第11ms快速机械开关开始合闸。原则是做到能量等效。主支路在导通短时电流后，不允许发生部件损坏或者失效。

2.2转移支路短时电流耐受试验

转移支路短时电流耐受试验主要是为了检验转移支路部件的短时耐受电流能力。对转移支路单元模块考核，试验电流波形如下，原则是做到能量等效，在耐受电流过程中，在A点完成一次快速放电开关“关断—导通”，并在B点完成关断。转移支路不允许发生部件损坏或者失效。

2.3小电流开断试验

该试验方式是验证直流断路器开断直流系统中小电流的开断能力。试品为完整的直流断路器整机，包括控制保护设备以及隔离供能设备，确保所有设备的布置皆与运行时相同。要求的开断电流为10、50、200、500、1500A。每档开断电流下正负方向各3次。

2.4额定电流开断试验

该试验方式是验证直流断路器开断直流系统中正常工作电流的能力，以此来考核直流断路器的一次部分和二次部分的整体性能，是否满足对动作时序和开断时间等技术条件的设计要求。试品为完整的直流断路器整机，控制保护设备以及隔离供能设备，确保所有设备的布置皆与运行时相同。要求的开断电流为4.5kA，每档开断电流正负方向各3次。

2.5短路电流开断试验

该试验方式是验证直流断路器开断直流系统短路电流的能力及主支路换流能力。试验要求试品为完整的直流断路器整机，控制保护设备以及隔离供能设备，确保所有设备的布置皆与运行时相同。应针对以下3种开断电流值，并按照相应的次数要求，进行短路电流开断试验：

1)开断电流为7.5kA，开断次数为正负方向各3次；

2)开断电流为15kA，开断次数为正负方向各3次；

3)开断电流为25kA，开断次数为能够开断25kA电流(且满容量)的最大次数(正负方向各不小于15次)，且不进行中间检修。要求从试验波形上获取的试验电流开始上升至试验电流开始下降的时间间隔不大于6ms。

2.6短路电流关合试验

该试验方式是验证直流断路器关合短路故障电流的能力，以及在关合过程中直流断路器各部分的合闸时序配合是否正确。试品为完整的直流断路器整机，控制保护设备以及隔离供能设备，确保所有设备的布置皆与运行时相同。要求的关合电流为4.5kA，正负方向各3次。

3关键问题分析及研究方向

中国已在混合式高压直流断路器研制能力和试验水平等方面占据该领域的高点，并取得丰硕成果，一些技术和设计已成功应用于工程实际，但由于直流断路器技术的复杂性，仍存在许多问题亟待解决。

3.1设备研制能力

从元器件角度来看，未来亟待优化直流断路器各支路的元件尺寸，以优化直流断路器的结构，缩小体积，降低造价；从开断能力提升角度分析，需要进一步分析并提升各种情况下气体绝缘或者真空机械开关开断过程中断口动态绝缘及均压特性优化断路器的开断能力；从直流系统要求角度来看，研制动作更快的机械开关和损耗更低的半导体器件，保持其具有更高耐压能力和更低的损耗；从设备安全可靠性角度分析，需要不断完善高压直流断路器控制保护水平，提高设备工作的稳定性和可靠性。

3.2设备状态检测和综合评估方法

目前在运的直流断路器数量少、工程应用经验缺乏，且相比于交流断路器，其结构复杂，检修和运维技术也将变得更为复杂，针对混合式高压直流断路器的运行状态监测和整体健康状态评估等方面国内外尚无深入研究和成熟应用。为及时掌握高压直流断路器运行健康状态，有必要分析混合式高压直流断路器主支路、转移支路和耗能支路各模块现有试验检测手段存在问题和局限性，开展科学有效的元部件离线试验或带电检测手段研究，探索运行状态实时在线监测方法，研究得到直流断路器运行健康状态的整体评估方法。

结束语

未来直流电网将向着高电压、大容量、远距离、高经济效率、高可靠性、低环境影响的方向发展，同时可再生能源的发展、海上风电的送出和海岛资源的开发也将紧紧依靠直流电网。因此，直流断路器作为直流电网的不可或缺的关键设备，其研制开发尤为重要，也将大有作为。目前，国内外科研机构在混合式高压直流断路器的研制方面也在不断地尝试与努力，在技术方面取得了很大的突破。

参考文献：

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