高壓直流斷路器開斷試驗方法的研究

河南省高壓電器研究所有限公司 李彥如 韓德保 廉凱凱 郭思遠

引言

通常電壓可分為高壓和低壓，不同的電力系統具有不同的適用領域與作用。在高壓電使用的過程中，尤其需重視其安全性，歷年各種高壓電傷人事件頻頻發生，造成的后果也極為嚴重，為此需要提高對高壓直流斷路器開斷試驗的重視程度，根據不同電壓等級等實際情況合理選擇相應類型的高壓直流斷路器，當高壓直接輸送中出現故障電流時，斷路器會及時將故障電流進行切除，以此實現對電力系統的高效保護，在保障電力系統的安全穩定運行時還能減少損失、節約電能。

1 高壓直流斷路器常見故障及產生原因

高壓斷路器常見故障一般包括絕緣故障、拒動故障等。絕緣故障是最為常見的故障，產生原因復雜多樣，如爆炸、內以及外絕緣故障等；直流斷路器在實際運行過程中其內部出現異常導致斷路器自身受到不同程度的損害，還有開關柜內元件的質量也會影響到斷路器的正常運行，若是質量不合格則會引起部分短路故障的發生；拒動故障也是普遍存在的故障之一，當高壓直流斷路器保持正常運行狀態時，主要是通過分合方式對電流進行控制，當發生拒動故障時若是不及時進行分合操作則會無法及時切斷故障，造成越級跳閘，故障區域則會進一步擴大。造成拒動故障的原因一般是因電氣裝置、機械開關等，因此需對高壓直流斷路器存在的故障及產生原因展開詳細檢測和分析，依據實際情況采取相應的解決措施。

2 高壓直流斷路器的構成分析

高壓直流斷路器具有切斷電網故障部分的作用，在高壓直流輸電電網中也具有極其重要的保護作用，其構成相當復雜且具備高科技性。當前高壓直流斷路器的種類較多，如機械式高壓直流斷路器、混合式高壓直流斷路器、全固態式高壓直流斷路器等，都具備著保護電路安全的性能和作用，其中機械式高壓直流斷路器的應用頻率最高。

2.1 機械式高壓直流斷路器

其構成部分主要包括機械開關、電流轉移支路和能量吸收支路，電流轉移支路主要是供電流進行流通，而能量吸收支路主要負責吸收能量，當高壓電路在進行運作的過程中機械開關一般處于閉合狀態下，電流會通過機械開關開始進行流通，在進行高壓電力使用的過程中有效降低能耗，減少電力系統中電力的浪費。當電力系統出現故障影響到正常運行時機械開關便會自動斷開電路，電力便會通過其他支路繼續進行流通，并通過電流轉移支路與能量吸收支路形成一個閉合回路。

當直流系統正常運行時，直流電流會在直流斷路器中進行流動，如直流系統存在異常現象如短路等，直流斷路器會及時將電路斷開以遏制短路故障的進一步擴大。同時能量吸收支路中的電容器具有存儲電力的性能，當發生故障時通過能量吸收支路可吸收多余的能量，即使電壓過高也不會導致電力系統相關設備自身出現燒毀等問題，有效提升電力系統運行的安全性，還能減少經濟的損失。分析機械式直流斷路器的原理，其具體類型包括無源型直流斷路器、有源型直流斷路器。

2.2 混合式高壓直流斷路器

與機械式直流斷路器相比其所使用的開關是固態開關，但也是由載流轉移支路、固態開關和能量吸收支路這三部分所構成。在混合式高壓直流斷路器運行時固態開關處于未閉合狀態，電力通過載流轉移支路進行流動，能量吸收支路中的電容器會將部分電力進行儲存。當電力系統在運行過程中出現故障，過大的電流易對人員及設備造成不同程度的傷害，這時需及時閉合固態開關，電流便會向著支路流動。在工作時電流會從固態開關開始進行流動，部分電流會向能量轉移支路流通且被吸收，這樣能避免對載流轉移支路上的設備造成不同程度的破壞，夠確保電力系統運行的安全性和穩定性。

2.3 全固態式高壓直流斷路器

其主要組為固態開關支路、能量吸收支路。在工作的過程中固態開關處于閉合狀態，電流會通過固態開關支路開始進行流動并向負載進行流通。當出現故障時固態開關會及時將故障電流開斷，接著能量吸收支路會將感性元件中的部分能量進行吸收，以此保障電力系統的安全性能。

早在1987年美國就曾以GTO為開斷元件，并通過深入研究和開發推動了200V/15A的全固態式直流斷路器的興起和應用。隨著科技的不斷發展和進步，在2005年出現了4.5kV/4kA的直流固態斷路器樣機。通過試驗和應用情況可知，單個電力電子器件具有一定的缺點、如耐壓能力較差等。在高壓電領域中應用全固態式直流斷路器，需將大量的電力電子器件串聯在一起，這樣不僅需耗費大量資金成本，對其進行控制存在很大的難度，同時損耗也非常大，所以全固態式直流斷路器比較適用于中低壓領域。

3 高壓直流斷路器開斷試驗的具體方法

3.1 短路發電機直接試驗法

通常在高壓直流斷路器使用前需對其進行開斷試驗，主要是為防止高壓直流斷路器在投入使用的過程中出現安全事故。在對電氣直流斷路器進行高壓試驗前需提前做好準備工作，根據相關信息和實際情況預測哪些情況可能會發生，并依據預測結果制定切實可靠的緊急處理與預防方案，當出現突發情況時便可及時采用事先制定好的應急方案，在保障電力系統安全性能的同時還能降低經濟損失，以及保障后續工作的有序進行[1]。

在進行前期準備工作時，首先需對試驗設備、試驗回路、試驗參數等進行檢查，確保其與試驗需求相符合，同時還得對試驗環境的安全性進行確認，主要是為保障相關工作人員人身安全，以及確保試驗數據的精確性和可靠性。接著對試驗儀器和設備進行詳細檢查，對存在異常問題的儀器設備及時進行更換，否則會影響到試驗工作的正常進行，甚至造成人員或設備的傷害。

當前期準備工作結束后即可開展高壓直流斷路器開斷試驗工作。首先需對電氣設備的耐壓能力進行檢測和試驗，通過耐壓試驗能充分了解儀器的質量，如高壓直流斷路器的耐壓能力較低則無法在高壓領域中發揮出其開斷及保護設備的作用。確保高壓直流斷路器的質量與實際需求相符合，進一步則需運用短路發電機試驗法開展試驗，由于采用直流電流源的方法存在很大的難度，所以可選擇低頻交流電源，運用相關技術將其模擬直流短路故障電流，而試驗電源以短路發電機為主。

在進行試驗的過程中，結合電磁感應的原理知識，將滑動變阻器和開關設置在含有電源的部位，接著運用開關對滑動變阻器進行調節，這時電流會隨著滑動變阻器的阻值產生相應變化，同時當原線圈的電流產生變化時，其他感應線圈中的高壓直流斷路器也會隨之變化。這時可通過觀察和分析原線圈的阻值判斷電流的上升速度，接著就可掌握高壓直流斷路器的工作情況。

3.2 交流單頻震蕩試驗法

其是高壓直流斷路器開斷試驗中較為常用的方法。在進行試驗的過程中離不開電容器裝置的支持，電容器具有存儲電能的作用，但這種存儲能力易受該裝置結構、材料質量等方面的影響。在開展高壓直流斷路器開斷試驗過程中，借助高壓設備進行試驗尤需重視高壓試驗環境的安全性。根據交流單頻震蕩試驗法的應用情況看，其與實際要求相符合，且對提升電容器自身的電能儲存能力具有重要作用。通過電壓交流電為電容器裝置進行充電，將電容器作為電源，在電量在不斷上升達到臨界線時便可釋放部分電能，這時對于處于高壓工作狀態下的高壓直流斷路器的工作情況進行詳細的試驗與分析。

這種試驗方法的最大優點在于結構較為簡單，試驗平臺搭建難度不大，通過對電感進行調節以改變流向直流斷路器的電流大小等參數。但該試驗方法也有一定的缺點，當直流斷路器電壓等級較高的情況下，為保障斷路器的正常運行則需大量的電容器組，這就需投入充足的資金成本，加上在試驗過程中所使用的電容器組在充電方面存在一些問題，如充電效率低、耗電量高，導致能量的浪費，所以能量利用率有待提高。

3.3 電感儲能直接試驗法

對于高速運作的高壓直流斷路器可選擇使用電感儲能直接試驗法展開試驗。荷蘭著名的KEMA實驗室曾采用三相發電機對每一相對應的電感進行充電，將每一相的電感列為L1、L2、L3、將其分別與三相發電機的每一相進行串聯便對其進行充電。這時適當增加發電機的數量，通過試驗和觀察可知，發電機產生的電流呈不斷上升趨勢，儲能電感中產生的電流幅值也隨之上升。根據相關記錄數據可知，實驗室產生的直流電流上限為40～50kA。

通過研究和分析電感儲能直接試驗法的實踐情況，其具有一定的優缺點。該試驗方法所產生的電流具有較差的衰減速率，具有較長的持續時間。然而試驗斷路器兩端電壓與高壓直流斷路器實際運行過程中兩端的電壓相比，根據數據可知前者電壓要低于后者電壓，所以這種開斷試驗方法的等效性不足，不能滿足高電壓等級試驗要求。雖在試驗過程中斷路器能對故障電流進行及時開斷，但實際開斷過程中還存在較大的開斷難度。在試驗中發電機電感儲能回路對電感的值具有較大的需求，只有確保電感的值與試驗的實際需求相符合，也就是電感的值要大才能更好地存儲更多的能量，以此促進開斷試驗的順利進行。同時產生電流的衰減速率和幅值易受發電機電感儲能回路等各項參數的影響，所以電感儲能直接試驗法存在較大的弊端，并不屬于主流試驗方法。

3.4 合成試驗法

根據相關調查數據可知，直接試驗法對電源容量具有較高要求，同時還存在經濟性較差等缺點，考慮到經濟性、等效性等方面影響，推動了合成試驗法的大力推廣和應用，其是電壓源與電流源來自不同回路的一種試驗方法，在開展試驗過程中，線路中不僅具備電容器還需設置所需的電氣裝置。與其他試驗方法相比合成試驗法更具優勢，不僅可降低試驗成本還不需借助電容等設備，這些設備造價昂貴、維修費用高，若試驗過程中對這些設備造成損害就得投入大量的維修經費，而利用合成試驗法對高壓直流斷路器進行高壓檢測和試驗可避免這些問題的發生，具備良好的發展前景[2]。

直接試驗可知其斷路器試驗電壓為55kV，開斷電流則為2～16kA，而通過利用合成試驗回路對無源型和有源型機械式直流斷路器進行檢測試驗，將其開斷后的電壓提高至到105kV，更接近實際運行工況，這就能看出合成試驗回路具備較高的等效性。

短路電流和恢復電壓分別為不同回路進行提供，使高壓直流斷路器開斷試驗更具經濟性，且便于調節這兩個回路中的參數。根據其試驗結果可知，合成試驗法與不同電壓等級的需求相符合，這也是合成試驗法應用較多的主因。但利用合成試驗法對機械式高壓直流斷路器進行開斷試驗的過程中，由于易受換流回路中電容的作用影響，導致機械開關兩端的恢復電壓上升率高于實際中的恢復電壓上升率，這時候更不容易將短路故障電流進行開斷，進而對高壓直流斷路器提出更高的要求，通過開斷試驗驗證后的高壓直流斷路器能有效降低短路、起火等問題的發生，確保高壓直流斷路器的正常運行。

4 結語

高壓直流斷路器在高壓電力系統運行中具有必不可缺的作用，是提高電力系統穩定性和安全性的重要保護裝置。在多端直流輸電工程迅速發展的大環境下，對高壓直流斷路器的穩定性提出了新的要求，以及對開斷容量性能具有更高的要求，而通過良好的開斷試驗能夠對高壓直流斷路器的性能進行科學的驗證，不斷研究和應用多元化的試驗形式，并對其優缺點進行細致的研究和區分，結合實際情況選擇合適的開斷試驗方法，在節約成本的同時還能保證直流斷路器整體質量，從而有效為電力系統的安全運行提供重要保障。