直流断路器测试装置的研制及应用

（南瑞继保电气有限公司，南京 211100）

0 引言

在输电领域，为适应新的能源格局，基于柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术成为未来的发展趋势[1-5]。柔性直流输电技术具有独立调节有功及无功功率、谐波含量小等特点[6]，构建柔性直流电网对于大规模新能源并网和提高电网大规模远距离输电能力具有重大意义，因此在电力系统中得到大力推广和应用[1-5]，多端高压直流输电系统由于电压等级高、线路阻抗小，一旦发生线路短路故障，将很快影响到交/直流输电网络，必须迅速切除故障[7]。高压直流断路器动作速度快，能够最大限度地缩短故障持续时间或抑制故障电流，减少故障对交/直流输电网络的冲击，因此直流断路器是构建直流电网的关键设备[8]，必将获得大力的推广和应用。

目前高压直流断路器主要分为机械式高压直流断路器、全固态高压直流断路器以及混合式高压直流断路器[9-11]。混合式高压直流断路器综合前两者优点，通态损耗低且开断速度快，是目前研究的热点[12-18]。2012 年ABB 公司研制了基于IGBT（绝缘栅双极型晶体管）直串技术与快速机械开关的320 kV/9 kA 的样机模型[12]；2016 年全球能源互联网研究院研制的基于H 桥级联的200 kV 高压直流断路器成功应用于舟山五端柔性直流输电工程中[17-18]；2018 年南瑞继保针对混合式高压直流断路器存在的一些问题，提出了一种整流型混合式高压直流断路器电路拓扑，分断支路采用桥式换向阀组和单向开断阀组，并在张北直流工程中得到了应用[8]。

1 直流断路器测试需求分析及现状

综观上述厂家的直流断路器设备，无不采用了大量的IGBT 等电力电子开关，图1 所示为直流断路器产品结构。由图1 可见，该架构包含转移支路电力电子开关、主支路电力电子开关以及主支路快速机械开关，其中转移支路电力电子开关和主支路电力电子开关是重点测试对象。转移支路电力电子开关由十几个电力电子开关子单元串联而成，每个子单元包括IGBT 阀组、二极管阀组以及避雷器单元，子单元的拓扑结构如图2所示，每一个子单元包括几十个并联IGBT 阀组、上百个整流二极管阀组以及多柱避雷器。在出厂和验收时，需要对转移支路电力电子开关中数量众多的IGBT 进行开通、关断的功能测试，对整流二极管和多种电阻电容组成的RCD（缓冲无源回路）进行充、放电测试。

主支路电力电子开关按照串并联矩阵式方案进行设计，其拓扑如图3 所示。相对于转移支路，主支路虽总体数量较少，但也包含正反向各几十个IGBT，RCD 回路和旁路开关等，出厂和验收时需要进行回路充、放电测试，也需要重点考察IGBT的开通与关断功能，旁路开关分、合闸功能。

图1 张北直流断路器结构示意

图2 转移支路子单元拓扑

图3 主支路电力电子开关示意

由上述可见，整个直流断路器的结构中包含的IGBT 器件有几百个，二极管器件有上千个，由此组成的RCD 结构更加复杂，且直流断路器作为一种新型装备，目前没有专门针对这些器件和回路的测试工具和手段，仅在文献[19]中提出一种对UPFC（统一潮流控制器）子模块中的IGBT进行测试的自动化测试装置，其采用模拟阀控协议控制IGBT 通断进行自动测试的方法，适用于UPFC 工程的自动测试，但UPFC 换流阀IGBT 器件和直流断路器的IGBT 器件内部和外部电流、电压、温度和压力均有差异[20]；文献[20]对这些差异做了详细分析，两者失效机制不同，控制方法不同，对于测试关注的细节内容也有所差异，而且直流断路器测试中又包含了UPFC 工程中没有的二极管回路的测试。另外，仔细分析文献[19]的测试原理，发现其采样模块采用平均值值判断的方式，判断依据略显粗疏，在本文中采用了专家系统，将仿真软件仿真的充、放电特征曲线预置在专家系统库中，实时采样、实时对比，测试更加详细完全。在本方案中，对脉冲协议在正常功能测试之外，还采用了脉冲异常的产生方式，定义了多种异常控制脉冲，用于通信接口容错性能的测试，该方法也是首次提出，增加了测试涵盖的内容，使之更加全面。

本文的出发点是为详细测试直流断路器内部阀组器件的工作情况以及RCD 特征曲线和仿真的符合情况，解决以往需要在高危环境中携带大量辅助工具进行手动测试人工判断、测试人员缺乏安全保障的状况。测试采用自动化手段，快速准确地完成直流断路器中不同种类、数目众多的模组器件的测试，保证整个工程的可靠性。

2 直流系统断路器测试系统总体设计

梳理转移支路电力电子开关和主支路电力电子开关的测试需求，如表1 所示。

表1 直流断路器测试需求列表

为实现表1 中自动测试需求，测试装置需要具备对直流断路器独立供电、控制IGBT 和二极管、检测各种条件下功能模块动作情况等能力，因此直流断路器测试系统整体架构如图4 所示，包括信息处理模块、光纤脉冲收发模块、采集模块和程控电源模块。

图4 直流断路器测试系统架构

2.1 信息处理模块

该模块包括HMI（人机界面）、电源控制接口和专家系统，HMI 根据直流断路器测试需要选择测试对象，包括转移支路阀组、主支路阀组、二极管阀组，根据选择测试对象的不同，信息处理模块配置不同的参数控制光纤脉冲收发模块，通过电源控制接口控制不同的电源开关，同时配置好相关的专家系统数据库，最后根据光纤脉冲收发模块上传的状态信息和采集模块上传的被测模组特征曲线，由专家系统进行对比得到测试结果，并给出测试报告，定位故障硬件。

2.2 光纤脉冲收发模块

该模块接收信息处理模块的控制信息，根据控制信息设置定时任务的频率，选择对应的光纤输出协议，输出光纤脉冲控制被测模组的相关IGBT，同时，在定时任务中实时解码被测模组的返回状态信息，并反馈给信息处理模块。该模块可以模拟阀控装置的脉冲协议，也可以模拟主控装置的脉冲协议。模拟主控装置的脉冲协议时，跟阀控装置通信，通过阀控装置控制相关阀组的IGBT，进行IGBT 的功能测试，此种方式通过专用的调试接口控制阀控装置进行调试，测试时阀控装置和直流断路器之间的光纤不用插拔，避免损坏光纤，适合用于现场的SAT（现场验收测试）；模拟阀控的脉冲协议时，可以直接控制直流断路器的IGBT 进行功能测试，此种模式可直接针对每个模块进行点对点测试，更加简单直接，适合用于出厂时的FAT（工厂验收测试）。

该模块的光纤脉冲协议的发送频率、脉冲宽度、发送波特率均可以设置，采用配置的方式控制产生不同的光纤脉冲，可以很好地适应不同的功率器件的控制，提高测试装置的适应性，采用FPGA（现场可编程门阵列）对光纤脉冲进行精确编码，既可产生正常编码的光纤脉冲协议进行功能试验检验，也可产生异常编码的光纤脉冲协议，用于直流断路器各模块的光纤通信接口的容错能力以及性能测试，异常编码的内容包括“0”“1”码值脉冲的宽度，协议内容的CRC（循环冗余校验），协议内容的乱序、错位等。

2.3 采集模块

该模块采用高性能的DSP（数字信号处理）处理器，在高速定时中断中实时采集被测试对象充、放电回路和IGBT 开关动作时的特征曲线，在低速定时中断中针对不同的采集对象而采用不同的滤波算法，对采样数据进行处理，以适应各个模组和功能试验的采样，同时周期计算采样点的有效值参数，通过内部通信总线把实时采样的特征曲线和有效值的信息反馈给信息处理模块，用于专家系统的结果判断。

2.4 程控电源模块

直流断路器中包含了大量的RCD，需要进行充、放电曲线的检测，为此设计了程控电源模块，用于在试验开始时对直流断路器各模块进行充电，充电时电压上升的时间曲线和电压等级都需要准确控制，以测试不同拐点RCD 的性能参数；测试结束时，需要控制放电过程，该模块通过高速处理器实时控制各快速继电器投退不同的放电电阻，完成对放电过程的控制，其主要作用在于独立完成断路器各模块的测试，不需要依赖外围系统配合，从而简化测试。

3 直流断路器的具体测试

本文主要对直流断路器各个功能模块进行测试，测试对象包括主支路电力电子开关、转移支路电力电子开关的各个功能模块，包括IGBT，RCD，旁路开关以及二极管等模块，其中二极管阀组仅需进行充、放电测试来检测回路的电气特性，其功能结构和测试接线如图5 所示，图中测试装置的程控电源模块输出的电源直接为二极管阀组供电，通过特制的夹具在关键的采集点连接反馈给采集模块采集特征数据。

图5 二极管阀组测试接线

IGBT 阀组及相关的RCD 部分则不仅需要充、放电测试，还需进行IGBT 的开通、关断等功能试验。图6 所示为光纤脉冲收发模块和阀控装置连接时的接线，如采用点对点连接时，虚线处的阀控装置和SMC（子模块控制器）可省略，光纤直接控制IGBT，图中程控电源模块的交、直流输出直接为相关被测模块供电，特制的夹具在关键的采集点连接反馈给采集模块采集特征数据。

测试具体步骤为：

图6 IGBT 阀组测试接线

（1）根据测试对象的不同，通过HMI 人机接口，在测试装置中选择对应的阀组模块和IGBT的位置，阀组模块包括转移支路阀组、主支路阀组和二极管阀组，其中转移支路阀组和主支路阀组包括了缓冲回路的充、放电测试和IGBT 开关试验，二极管阀组只需进行充、放电测试；IGBT则按照阀组的组号和在阀组中的位置共同定义，该步骤为通过阀控装置控制IGBT 进行SAT 的步骤，如果是点对点的FAT，因无需阀控装置的转接控制，IGBT 模块无需通过编号选择，直接进行试验，即图6 虚线框中的阀控装置可以根据测试的实际需求决定是否采用。

（2）根据HMI 选择的测试对象，信息处理模块向光纤脉冲收发模块发送相关的协议配置，主要是被测装置类型、中断任务的处理频率、发送的光纤脉冲协议格式、光纤脉冲的调制频率、光纤脉冲的宽度及接收反馈的光纤状态信息参数。

（3）根据HMI 选择的测试对象，信息处理模块初始化专家系统，配置好充、放电的标准特征曲线图和结果判断的条件，用于测试结果的自动化判断。

（4）根据HMI 选择的测试对象，信息处理模块控制不同的继电器，控制程控电源模块输出交/直流电压和电流，对被测对象进行充电测试，并在试验最后断开相关继电器，切断供电电压，投入不同的放电电阻进行放电测试。

（5）采集模块用两级中断处理任务，在高速定时中断1 级实时采集充、放电的特征曲线，并在低速定时中断2 级任务中，对采集的数据进行处理，得到各个数据的有效值，并把这些值和特征曲线上送信息处理模块的专家系统进行比较判断。

（6）专家系统将测试结果显示在HMI 人机接口中，首先进行充、放电回路的检测。如果失败则显示定位的故障硬件的位置和失败的原因；如果成功，则对缓冲回路阀组和主支路阀组进行IGBT 开关功能试验。

（7）光纤脉冲收发模块，根据信息处理模块发送的参数，实时模拟不同的脉冲序列，开通或关断选择的IGBT，同时实时接收IGBT 模块反馈的状态信息，解码后上送信息处理模块。

（8）信息处理模块的专家系统根据光纤收发模块上送的状态信息和采集模块上送的模拟量信息，综合判断IGBT 开关试验时相关硬件是否正确动作，如果失败则显示定位的故障硬件的位置和失败的原因。

测试流程如图7 所示。

4 RCD 充、放电测试原理

以转移支路IGBT 阀组为例对测试原理进行分析，参照图6 给出的测试接线，采用典型的RCD 回路参数、供电电压采用直流90 V 进行仿真，按照测试的各个阶段进行分析。

测试原理：通过测试仪控制充、放电过程，通过采集回路监测IGBT 和电容电压。

常见的故障内容包括：二极管开路和短路，电容容值、均压电阻和放电电阻失效。对这几种故障进行仿真，得出专家系统的判据条件。

（1）充电开关合上阶段的正常曲线如图8 所示。由图可知，充电开始100 ms 后，电容电压大于90 V 为正常充电，以此判断均压电阻等回路是否正常；同时比较IGBT 和电容电压，判断二极管有无开路；正常电压差应基本重合，大于1 V认为开路。

图9 为转移支路二极管开路时的充电曲线，由图可见该异常情况下IGBT 和电容电压差为1.2 V 左右。

图7 测试流程

图8 转移支路IGBT 阀组RCD 正常充电曲线

图9 转移支路IGBT 阀组RCD 二极管开路充电曲线

（2）充电断开阶段正常曲线如图10 所示。根据电容放电速度（时间常数12 s），判断电容值和均压电阻是否正常。

图10 转移支路充电断开阶段曲线

由图11 可见正常曲线下充电断开后5 s 时，电容电压应大于50 V，根据各个时间点的采集值和理论数据比较，可判断是否正常。

（3）放电开关合上阶段的正常曲线如图11 所示，异常曲线如图12 所示。

图11 转移支路放电正常曲线

图12 转移支路放电异常曲线

比较IGBT 和电容电压差，即可判断二极管有无短路，放电电阻是否正常。

由仿真图11 所示：正常放电情况下，开始阶段电容电压与IGBT 电压有10 V 左右差。

异常情况：电容电压与IGBT 电压一致。

根据仿真结果形成专家系统，由采集模块采集的实时特征曲线和有效值等信息即可完成RCD 回路的自动化测试。主支路和二极管支路的充、放电测试的原理与此类似，不同之处在于充、放电的特征曲线，根据现场测试的需要仿真出典型的特征曲线后，在测试阶段即可由专家系统进行自动判断。

主支路和转移支路除RCD 充、放电回路测试之外，还需要进行IGBT 开通、关断的功能测试，测试时经由光纤脉冲收发模块模拟IGBT 的开关脉冲，对IGBT 进行控制，采集模块实时采集各个测试点的特征曲线，由专家系统结合光纤脉冲收发模块接收的回馈状态信息共同自动判断，该部分测试的标准特征曲线的仿真、实时采样部分的处理和RCD 测试类似，不再一一展开。

5 直流断路器测试装置的工程应用

直流断路器测试装置解决了张北柔直工程直流断路器的主支路阀组、转移支路阀组、二极管阀组在调试中存在的实际问题，在出厂、生产试验环节和工程投运验收过程中发挥了实际作用，各个阀组RCD 回路的充、放电测试是个难点，测试时需要兼顾充、放电时间，不同采集点的差值，各个采集点的有效值等，在现场进行实施，人工判断难度极大。而本设计采用了可控的电源模块，很容易模拟充、放电的过程，并在测试中实时采集子模块的状态，从而监控了RCD 回路整个过程的表现，通过对比正常和异常情况下的测试曲线和计算值，很容易判断整个回路的工作状况。如果采用一次系统通电的过程进行人工测试，由于充、放电时间很快，人工测量无法快速有效地监测到充、放电特征点的数据，因此很难判断该部分回路的工作状态。而采用测试装置后，包括充、放电，各器件的功能测试，全部完成仅需2～3 min，大大加快了项目验收的进度，其便携、自动、全面的测试手段为工程投运的顺利实施作出了贡献。

本方案所研发的测试装置，采用了可扩展的方案，其光纤脉冲收发模块和采集模块都是智能模块，光纤控制协议、采样数据的处理和数据库中的特征曲线可以根据实际工程预置，对于包含IGBT 模块并且采用光纤控制方式的直流断路器的测试具有普适性。张北直流断路器的主支路和转移支路即采用了不同的拓扑结构，其控制方法和数据处理也不相同，本方案的测试装置很好地完成了测试，因此具有较强的适应性和推广价值。

6 结语

直流断路器设备作为新兴的技术，在工程实际中还缺乏先进的测试手段，这势必会影响生产试验、工程验收的顺利进行，本文提出的直流断路器测试装置，从工程的实际需要出发，解决了一部分工程调试的难题：用程控电源模块给各个被测阀组供电，解决对一次系统依赖，不能独立测试的问题；用模拟阀控/主控协议的方式控制各个模块的IGBT 器件的功能测试，解决以往需要其他装置配合才能进行测试的问题；同时采用专家系统通过配置的方法，兼顾主支路阀组、转移支路阀组、二极管阀组的自动化测试。工程实践表明，该测试装置所采用的试验方法原理可靠，贴近工程使用的实际情况，极大简化了测试步骤，其便携、测试全面、智能自动等特点填补了直流断路器阀组模块测试空白，在生产、工程投运前等阶段对直流断路器进行检测，有较高的实用价值。