基于高壓直流混合式斷路器試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用

羅 琛

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司咸陽(yáng)供電公司，陜西 咸陽(yáng) 712000）

引言

直流系統(tǒng)電流因沒有過零點(diǎn)，并不能完成交流斷路器等的一些操作，通常需要通過人工的方式進(jìn)行相應(yīng)的處理?；旌鲜礁邏褐绷鲾嗦菲髦饕ㄟ^主支路和轉(zhuǎn)移支路以及耗能支路等進(jìn)行一定時(shí)序的內(nèi)部換流，以通過這樣的處理創(chuàng)造過零點(diǎn)和推進(jìn)直流的開斷。

對(duì)于主支路來(lái)說，其主要涉及到快速機(jī)械開關(guān)和電子模塊在貫通電流方面有著極為重要的作用。轉(zhuǎn)移支路主要包括多級(jí)轉(zhuǎn)移支路子單元模塊，對(duì)直流系統(tǒng)存在的短路電流有著一定的承載作用，且能夠?yàn)椴⒙?lián)電容充電，在開斷電壓等方面有著極為重要的作用；相應(yīng)的耗能支路主要包括多個(gè)金屬氧化物壓敏電阻，在控制電壓和推進(jìn)線路運(yùn)行等方面有著重要的作用。

因高壓直流斷路器在多端直流輸電網(wǎng)絡(luò)中有著極為重要的作用，因此這方面的研究和應(yīng)用在當(dāng)前比較熱門。

1 混合式高壓直流斷路器概述

傳統(tǒng)的機(jī)械式斷路器極易受到滅弧介質(zhì)等的影響，因此很難為現(xiàn)實(shí)性的需求提供保障。加之開斷電弧會(huì)對(duì)觸頭產(chǎn)生燒蝕作用，必定會(huì)對(duì)斷路器的長(zhǎng)效運(yùn)行造成不良的影響。不僅如此，固態(tài)斷路器也有著一些問題，通態(tài)損耗大等不良情況比較突出[3]。就現(xiàn)實(shí)性的情況來(lái)說，通過機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)等的靜動(dòng)態(tài)的處理，即能在通流和耐壓上達(dá)到既定的要求，以此為基礎(chǔ)行程的混合式直流斷路器顯然有著更為突出的應(yīng)用價(jià)值，見圖1。

圖1 運(yùn)行原理圖

2 高壓直流斷路器的技術(shù)要求

對(duì)于高壓直流斷路器來(lái)說，其主要在多端柔性直流輸電系統(tǒng)等設(shè)備的保護(hù)中有著突出的作用。就系統(tǒng)保護(hù)來(lái)說，直流斷路器的技術(shù)處理務(wù)必要保證嚴(yán)謹(jǐn)精細(xì)。需要注意的是，不管是混合式還是機(jī)械式，都應(yīng)達(dá)到既定的技術(shù)要求。

2.1 快速保護(hù)

因柔性直流輸電系統(tǒng)阻抗較小，出現(xiàn)短路故障的情況下，斷路器的電流即會(huì)迅速上升。在這樣的條件下，保證斷路器能夠在3～5 ms內(nèi)完成故障電流的開斷。如果無(wú)法達(dá)到這方面的要求，即會(huì)對(duì)電路的運(yùn)行造成不良的影響，且會(huì)出現(xiàn)諸多的成本損耗[1]。

2.2 重合閘功能

對(duì)于架空線的柔性直流電網(wǎng)的處理來(lái)說，相應(yīng)的斷路器應(yīng)達(dá)到快速重合閘的具體要求，這樣才能為線路故障等提供切實(shí)的保護(hù)。具體處理的過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注保護(hù)換流閥和斷路器等的能力表現(xiàn)，且應(yīng)做好重合閘后再分?jǐn)嗟挠行Р贾茫詾榭焖俑咝У拈_斷等處理提供切實(shí)的保障。需要注意的是，因重合閘呈現(xiàn)出的能量吸收較之單次開斷更大，這樣一來(lái)就應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注前期的設(shè)計(jì)，以為斷路器的穩(wěn)定運(yùn)行提供切實(shí)的保障。

2.3 故障就地檢測(cè)與識(shí)別功能

一般規(guī)格的交流系統(tǒng)盡管對(duì)開斷時(shí)間有著一定的規(guī)定，但并未達(dá)到柔性系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)來(lái)說尺度較為寬松。要想高效地推進(jìn)對(duì)故障的選擇性保護(hù)，就應(yīng)加強(qiáng)不同分支線路上斷路器的合理設(shè)定，推進(jìn)分合閘的合理運(yùn)行，如此電力的輸送即能得到切實(shí)的安全保障。

直流系統(tǒng)因運(yùn)行起來(lái)比較快，如果按照交流系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行，就應(yīng)做好直流斷路器的動(dòng)作設(shè)計(jì)，且應(yīng)做好精細(xì)地測(cè)試，斷路保護(hù)系統(tǒng)等也應(yīng)確保穩(wěn)定有序地運(yùn)行，如此才能切實(shí)地保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定與安全。對(duì)于其中涉及到的動(dòng)作命令來(lái)說，其通過繼電保護(hù)系統(tǒng)傳輸?shù)街绷鲾嗦菲魍枰欢ǖ臅r(shí)間，其中存在著時(shí)間的延遲，這樣的一種情況就應(yīng)注意斷路器的動(dòng)作時(shí)間設(shè)計(jì)。鑒于此，如果沒有更為有效的直流電網(wǎng)的繼電保護(hù)技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)直流斷路器的快速動(dòng)作，就應(yīng)確保相關(guān)設(shè)備在檢測(cè)和識(shí)別故障方面達(dá)到既定的要求。由此可見，此處涉及到的斷路器與交流系統(tǒng)并不相同，相關(guān)的開斷裝置更為直接，并不具備保護(hù)等綜合性功能。

3 試驗(yàn)技術(shù)研究

對(duì)于混合式高壓直流斷路器的實(shí)驗(yàn)和考核來(lái)說，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注工作原理以及系統(tǒng)運(yùn)行的具體分析，在這樣的條件下與既定的設(shè)備試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合，為后續(xù)的高效處理提供切實(shí)的保障。通過以上的分析，所制定的試驗(yàn)方案不僅要對(duì)直流斷路器在系統(tǒng)運(yùn)行各種條件下的耐受電熱等進(jìn)行精細(xì)考核，而且還應(yīng)確保所推進(jìn)各項(xiàng)試驗(yàn)的等效性，這樣才能為后續(xù)的正式處理提供一定的參考。對(duì)于試驗(yàn)宏觀等效性來(lái)說，其主要所指的是試品能夠承受的電熱和機(jī)械應(yīng)力的水平或是超過模擬的一種狀態(tài)。試驗(yàn)微觀等效性則是對(duì)試品是否發(fā)生與模擬情況不同的一種變化判定。就現(xiàn)實(shí)性的情況來(lái)說，要想精細(xì)地考核混合式高壓直流斷路器的各項(xiàng)性能，就應(yīng)做好其中主要組件的試驗(yàn)，以通過精細(xì)全面的試驗(yàn)和分析，為現(xiàn)實(shí)性的設(shè)備運(yùn)行提供切實(shí)的保障。

3.1 快速機(jī)械開關(guān)

對(duì)于混合型高壓直流斷路器來(lái)說，其中涉及到的中快速機(jī)械開關(guān)的電氣應(yīng)力如圖2所示，其中斷路器斷開條件下的系統(tǒng)額定直流電壓為udc；同樣條件下的瞬態(tài)分?jǐn)嚯妷簽閡b；承載系統(tǒng)額定及過負(fù)荷條件下的電流為i1；承載故障狀態(tài)條件下的短路電流；直流斷路器未能完成換流的電流。

圖2 快速機(jī)械開關(guān)電氣應(yīng)力圖

通過對(duì)電氣應(yīng)力的分析來(lái)看，快速機(jī)械開關(guān)處在混合式高壓直流斷路器開斷電流的條件下，即屬于無(wú)弧分?jǐn)啵涑袚?dān)著快速隔斷電壓的功能。基于以上的處理，所進(jìn)行的絕緣試驗(yàn)等即可按照交流開關(guān)規(guī)范實(shí)施。

對(duì)于混合式高壓直流斷路器來(lái)說，快速機(jī)械開關(guān)對(duì)分?jǐn)嗨俣扔兄鼮閲?yán)格的要求，通常不可大于2 ms。因此，如果轉(zhuǎn)移支路閉鎖產(chǎn)生沖擊電壓，快速機(jī)械開關(guān)的動(dòng)觸頭仍舊有很大可能會(huì)處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其承受過電壓的可能性也就比較大。如果該過程中涉及到機(jī)械開關(guān)的絕緣強(qiáng)度較低，即不能為斷路器的開斷提供相應(yīng)的支持，且會(huì)出現(xiàn)一些不良的情況。鑒于此，就應(yīng)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行沖擊絕緣能力的試驗(yàn)和考核。就試驗(yàn)層面來(lái)說，基于快速機(jī)械開關(guān)的一些特性，本文提出如圖3所示的動(dòng)態(tài)沖擊絕緣試驗(yàn)方案[2]。

圖3 快速機(jī)械開關(guān)動(dòng)態(tài)沖擊絕緣試驗(yàn)原理圖

首先通過試驗(yàn)控制裝置將分閘指令發(fā)送到快速機(jī)械開關(guān)的控制裝置中，如圖4中第1個(gè)高電平波形所示；而后延時(shí)Δt（單位為ms），再將觸發(fā)指令發(fā)送給沖擊發(fā)生器，相關(guān)的情況如圖4中第2個(gè)高電平波形所示；對(duì)于沖擊發(fā)生器來(lái)說，其將電壓施加到分閘的過程中，電壓波形等的一些具體表現(xiàn)可參照?qǐng)D4。

圖4 快速機(jī)械開關(guān)動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)波形圖

需要注意的是，所進(jìn)行的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的波形應(yīng)與實(shí)際的情況保持一致。對(duì)于實(shí)際開斷過電壓來(lái)說，所涉及到的波前時(shí)間主要與短路電流等的等效電容等有著一定的關(guān)系，因此相關(guān)的表現(xiàn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，通常應(yīng)使其處在20～50μs。

對(duì)于波尾來(lái)說，其特性表現(xiàn)與系統(tǒng)短路能量等有著一定的關(guān)系，其中應(yīng)注意電流消耗的時(shí)間，以為相關(guān)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

3.2 主支路閥組

對(duì)于主支路閥組來(lái)說，其正常工作條件下的額定電流應(yīng)具備一定的短時(shí)過負(fù)荷的功能。具體來(lái)說，如果斷路器開斷時(shí)，應(yīng)使主支路等有序地進(jìn)行運(yùn)行，這樣所達(dá)到的分?jǐn)嚯娏鞯男Ч艜?huì)更為理想。

除了以上所談到的一些處理，斷路器還應(yīng)確保電氣應(yīng)力的穩(wěn)定，尤其應(yīng)確?；旌鲜礁邏褐绷鲾嗦菲鞴收蠣顟B(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行。

通常情況下，如果系統(tǒng)發(fā)生短路故障，混合式高壓直流斷路器往往無(wú)法進(jìn)行分?jǐn)?，此時(shí)就應(yīng)通過支路閥組進(jìn)行相應(yīng)的故障防控，以為后續(xù)的故障排除等提供切實(shí)的保障[3]。主支路閥組電氣應(yīng)力如圖5所示。

圖5 主支路閥組電氣應(yīng)力示意圖

基于以上的情況，主支路閥組的電氣應(yīng)力主要為：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)條件下的額定及短時(shí)過負(fù)荷的電流i1；承載并關(guān)斷故障態(tài)的電流iz；承載未能換流的電流；承受換流過程中的充電電壓uz。

通過對(duì)應(yīng)力的分析，確定主支路閥組應(yīng)加強(qiáng)通流和短時(shí)電流耐受等的試驗(yàn)，這樣后續(xù)的處理才能更為穩(wěn)定。

對(duì)于通流試驗(yàn)來(lái)說，應(yīng)確保主支路閥組長(zhǎng)期流過系統(tǒng)電流，這樣的處理應(yīng)與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件等有著一定的差別，開通和關(guān)斷等都應(yīng)有所區(qū)別。就本文引述的案例來(lái)說，半導(dǎo)體器件則應(yīng)處在長(zhǎng)期導(dǎo)通狀態(tài)。

除了以上要進(jìn)行的試驗(yàn)，還應(yīng)做好延長(zhǎng)通流試驗(yàn)時(shí)間的設(shè)計(jì)，以為現(xiàn)實(shí)性的運(yùn)行提供切實(shí)的保障。

對(duì)于短時(shí)電流耐受試驗(yàn)來(lái)說，如果直流斷路器存在故障，就應(yīng)通過各支路對(duì)短路電流的承載進(jìn)行故障的排除，以為相關(guān)的試驗(yàn)提供一定的條件。此處應(yīng)注意的是，主支路閥組務(wù)必要能夠承受一定時(shí)間的短路電流，這對(duì)于以上的處理來(lái)說有著極為重要的作用。

對(duì)于試驗(yàn)電流來(lái)說，通?？赏ㄟ^電容電感等的處理進(jìn)行，且應(yīng)做好最大能量沖擊I2t的等效。

對(duì)于短路電流關(guān)斷電流試驗(yàn)的來(lái)說，務(wù)必要保證主支路閥組短路電流關(guān)斷的穩(wěn)定，如此即能穩(wěn)定地推進(jìn)短路電流的換流。對(duì)于關(guān)斷故障態(tài)的電流來(lái)說，相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算應(yīng)可按照式（1）進(jìn)行：

式中：iz為主支路閥組關(guān)斷故障態(tài)的電流值；i1為系統(tǒng)額定電流；tp為系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；tdb為直流斷路器開斷動(dòng)作時(shí)間；di/dt為系統(tǒng)最大短路電流上升率。

3.3 轉(zhuǎn)移支路閥組

該部分主要是由多級(jí)半導(dǎo)體器件串聯(lián)構(gòu)成，其運(yùn)行的過程中，轉(zhuǎn)移支路兩段往往并不承受電壓，且不存在電流。

如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障且轉(zhuǎn)移支路開通的條件下，應(yīng)確保系統(tǒng)具備在短路電流處理方面的能力，同時(shí)還應(yīng)能夠穩(wěn)定地關(guān)斷短路電流，在電壓控制方面也能達(dá)到既定的要求。對(duì)于轉(zhuǎn)移支路閥組電氣應(yīng)力的具體情況，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)移支路閥組電氣應(yīng)力示意圖

轉(zhuǎn)移支路閥組的電氣應(yīng)力主要表現(xiàn)為：承載并關(guān)斷系統(tǒng)短路故障電流i2；承受關(guān)斷暫態(tài)過程中的沖擊電壓ub。

通過應(yīng)力的分析可知，所涉及到的考核試驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注短時(shí)電流耐受試驗(yàn)和最大短路電流分?jǐn)嘣囼?yàn)。

就前者來(lái)說，如果主支路閥組關(guān)斷電流轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)移支路，此時(shí)就應(yīng)對(duì)相應(yīng)的閥組進(jìn)行調(diào)整，以使其快速機(jī)械開關(guān)達(dá)到既定的絕緣要求，此時(shí)即能進(jìn)行電流的關(guān)斷。需要注意的是，這段時(shí)間應(yīng)使相應(yīng)的閥組具備短時(shí)承受故障電流的能力。對(duì)于試驗(yàn)電流峰值來(lái)說，其所表示的混合式高壓直流斷路器所能承受的最大開斷電流，相應(yīng)的耐受時(shí)間應(yīng)不小于快速機(jī)械開關(guān)額定開距的分?jǐn)鄷r(shí)間。此處涉及到的開關(guān)開距，主要與轉(zhuǎn)移支路閉鎖產(chǎn)生的開斷過電壓等有著一定的關(guān)系[4]。本文提出了一種基于電流源和電壓源合成的試驗(yàn)方案，如圖7所示。

圖7 電流開斷試驗(yàn)原理圖

對(duì)于后者來(lái)說，相應(yīng)的開斷電流應(yīng)基于轉(zhuǎn)移支路閥組進(jìn)行，且應(yīng)注意電流上升率的控制，以與現(xiàn)實(shí)性的情況保持協(xié)調(diào)。另外還應(yīng)注意的是，只有在電流處在穩(wěn)定以后才可有序恢復(fù)電壓。

3.4 整機(jī)試驗(yàn)

整機(jī)試驗(yàn)主要涉及絕緣試驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn)。前者試驗(yàn)的目的是保障斷路器過電壓條件下的特性表現(xiàn)，以基于這樣的試驗(yàn)進(jìn)行以下特性的測(cè)定和考核：

1）對(duì)于混合式高壓直流斷路器來(lái)說，應(yīng)確保其絕緣水平的達(dá)標(biāo)，以能夠承受所規(guī)定的各種過電壓；

2）應(yīng)注重?cái)嗦菲鲀?nèi)部各種過電壓布置的正確；

3）應(yīng)注意均壓回路額定容量的穩(wěn)定和達(dá)標(biāo)；

4）處在各種過電壓的條件下，半導(dǎo)體器件閥組等所承受的電壓不得超過其電壓的耐受能力[5-6]；

5）各種電子回路應(yīng)確保功能的穩(wěn)定。相關(guān)流程圖見圖8。

圖8 整機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)回路原理圖

對(duì)于所進(jìn)行的試驗(yàn)，應(yīng)基于斷路器的技術(shù)特性和系統(tǒng)運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行。對(duì)于混合式高壓直流斷路器來(lái)說，既要確保其能夠穩(wěn)定地開斷正常電流和故障電流，還應(yīng)能夠保障換流系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。另外，還應(yīng)確保系統(tǒng)在快速?gòu)?fù)合方面的功能穩(wěn)定[7-8]。鑒于此，所涉及到的斷路器試驗(yàn)考核就應(yīng)注意：

1）完成各個(gè)關(guān)鍵部件的集成以后，應(yīng)注意混合式高壓直流斷路器整機(jī)配合性能的穩(wěn)定，特別是開斷時(shí)間，以使其處在既定的規(guī)定范圍內(nèi)；

2）各個(gè)關(guān)鍵部件處在高電流和高電壓變化率條件下的電磁兼容，應(yīng)確保其抗干擾的穩(wěn)定，綜合性能方面也應(yīng)達(dá)到既定的要求；

3）整機(jī)的最大短路電流開斷和開斷過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓的承受能力；

4）首次開斷條件下的間隔ta（單位為s）時(shí)間以及系統(tǒng)重合且故障未消除條件下的開斷能力表現(xiàn)；整機(jī)關(guān)合條件下的額定電流以及能夠承載短路電流的能力[9-10]。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)混合式高壓直流斷路器的整機(jī)和快速機(jī)械開關(guān)等各個(gè)關(guān)鍵部件的分析，探究了極限工況條件下的電氣應(yīng)力表現(xiàn)，對(duì)進(jìn)行相關(guān)的針對(duì)性優(yōu)化有著極為重要的參考價(jià)值。

2）就混合式高壓直流斷路器的功能特性以及分析得出的電氣應(yīng)力來(lái)看，相應(yīng)的考核試驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注運(yùn)行和絕緣等方面的處理，這樣才能切實(shí)保障相關(guān)操作的穩(wěn)定與高效。

3）對(duì)于快速機(jī)械開關(guān)所實(shí)施的動(dòng)態(tài)沖擊絕緣試驗(yàn)等相關(guān)的特殊試驗(yàn)來(lái)說，本文提出了相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法，推進(jìn)比較穩(wěn)定，所得出的結(jié)果較全面準(zhǔn)確。