高压直流断路器开断试验方法的研究

河南省高压电器研究所有限公司 李彦如 韩德保 廉凯凯 郭思远

引言

通常电压可分为高压和低压，不同的电力系统具有不同的适用领域与作用。在高压电使用的过程中，尤其需重视其安全性，历年各种高压电伤人事件频频发生，造成的后果也极为严重，为此需要提高对高压直流断路器开断试验的重视程度，根据不同电压等级等实际情况合理选择相应类型的高压直流断路器，当高压直接输送中出现故障电流时，断路器会及时将故障电流进行切除，以此实现对电力系统的高效保护，在保障电力系统的安全稳定运行时还能减少损失、节约电能。

1 高压直流断路器常见故障及产生原因

高压断路器常见故障一般包括绝缘故障、拒动故障等。绝缘故障是最为常见的故障，产生原因复杂多样，如爆炸、内以及外绝缘故障等；直流断路器在实际运行过程中其内部出现异常导致断路器自身受到不同程度的损害，还有开关柜内元件的质量也会影响到断路器的正常运行，若是质量不合格则会引起部分短路故障的发生；拒动故障也是普遍存在的故障之一，当高压直流断路器保持正常运行状态时，主要是通过分合方式对电流进行控制，当发生拒动故障时若是不及时进行分合操作则会无法及时切断故障，造成越级跳闸，故障区域则会进一步扩大。造成拒动故障的原因一般是因电气装置、机械开关等，因此需对高压直流断路器存在的故障及产生原因展开详细检测和分析，依据实际情况采取相应的解决措施。

2 高压直流断路器的构成分析

高压直流断路器具有切断电网故障部分的作用，在高压直流输电电网中也具有极其重要的保护作用，其构成相当复杂且具备高科技性。当前高压直流断路器的种类较多，如机械式高压直流断路器、混合式高压直流断路器、全固态式高压直流断路器等，都具备着保护电路安全的性能和作用，其中机械式高压直流断路器的应用频率最高。

2.1 机械式高压直流断路器

其构成部分主要包括机械开关、电流转移支路和能量吸收支路，电流转移支路主要是供电流进行流通，而能量吸收支路主要负责吸收能量，当高压电路在进行运作的过程中机械开关一般处于闭合状态下，电流会通过机械开关开始进行流通，在进行高压电力使用的过程中有效降低能耗，减少电力系统中电力的浪费。当电力系统出现故障影响到正常运行时机械开关便会自动断开电路，电力便会通过其他支路继续进行流通，并通过电流转移支路与能量吸收支路形成一个闭合回路。

当直流系统正常运行时，直流电流会在直流断路器中进行流动，如直流系统存在异常现象如短路等，直流断路器会及时将电路断开以遏制短路故障的进一步扩大。同时能量吸收支路中的电容器具有存储电力的性能，当发生故障时通过能量吸收支路可吸收多余的能量，即使电压过高也不会导致电力系统相关设备自身出现烧毁等问题，有效提升电力系统运行的安全性，还能减少经济的损失。分析机械式直流断路器的原理，其具体类型包括无源型直流断路器、有源型直流断路器。

2.2 混合式高压直流断路器

与机械式直流断路器相比其所使用的开关是固态开关，但也是由载流转移支路、固态开关和能量吸收支路这三部分所构成。在混合式高压直流断路器运行时固态开关处于未闭合状态，电力通过载流转移支路进行流动，能量吸收支路中的电容器会将部分电力进行储存。当电力系统在运行过程中出现故障，过大的电流易对人员及设备造成不同程度的伤害，这时需及时闭合固态开关，电流便会向着支路流动。在工作时电流会从固态开关开始进行流动，部分电流会向能量转移支路流通且被吸收，这样能避免对载流转移支路上的设备造成不同程度的破坏，够确保电力系统运行的安全性和稳定性。

2.3 全固态式高压直流断路器

其主要组为固态开关支路、能量吸收支路。在工作的过程中固态开关处于闭合状态，电流会通过固态开关支路开始进行流动并向负载进行流通。当出现故障时固态开关会及时将故障电流开断，接着能量吸收支路会将感性元件中的部分能量进行吸收，以此保障电力系统的安全性能。

早在1987年美国就曾以GTO为开断元件，并通过深入研究和开发推动了200V/15A的全固态式直流断路器的兴起和应用。随着科技的不断发展和进步，在2005年出现了4.5kV/4kA的直流固态断路器样机。通过试验和应用情况可知，单个电力电子器件具有一定的缺点、如耐压能力较差等。在高压电领域中应用全固态式直流断路器，需将大量的电力电子器件串联在一起，这样不仅需耗费大量资金成本，对其进行控制存在很大的难度，同时损耗也非常大，所以全固态式直流断路器比较适用于中低压领域。

3 高压直流断路器开断试验的具体方法

3.1 短路发电机直接试验法

通常在高压直流断路器使用前需对其进行开断试验，主要是为防止高压直流断路器在投入使用的过程中出现安全事故。在对电气直流断路器进行高压试验前需提前做好准备工作，根据相关信息和实际情况预测哪些情况可能会发生，并依据预测结果制定切实可靠的紧急处理与预防方案，当出现突发情况时便可及时采用事先制定好的应急方案，在保障电力系统安全性能的同时还能降低经济损失，以及保障后续工作的有序进行[1]。

在进行前期准备工作时，首先需对试验设备、试验回路、试验参数等进行检查，确保其与试验需求相符合，同时还得对试验环境的安全性进行确认，主要是为保障相关工作人员人身安全，以及确保试验数据的精确性和可靠性。接着对试验仪器和设备进行详细检查，对存在异常问题的仪器设备及时进行更换，否则会影响到试验工作的正常进行，甚至造成人员或设备的伤害。

当前期准备工作结束后即可开展高压直流断路器开断试验工作。首先需对电气设备的耐压能力进行检测和试验，通过耐压试验能充分了解仪器的质量，如高压直流断路器的耐压能力较低则无法在高压领域中发挥出其开断及保护设备的作用。确保高压直流断路器的质量与实际需求相符合，进一步则需运用短路发电机试验法开展试验，由于采用直流电流源的方法存在很大的难度，所以可选择低频交流电源，运用相关技术将其模拟直流短路故障电流，而试验电源以短路发电机为主。

在进行试验的过程中，结合电磁感应的原理知识，将滑动变阻器和开关设置在含有电源的部位，接着运用开关对滑动变阻器进行调节，这时电流会随着滑动变阻器的阻值产生相应变化，同时当原线圈的电流产生变化时，其他感应线圈中的高压直流断路器也会随之变化。这时可通过观察和分析原线圈的阻值判断电流的上升速度，接着就可掌握高压直流断路器的工作情况。

3.2 交流单频震荡试验法

其是高压直流断路器开断试验中较为常用的方法。在进行试验的过程中离不开电容器装置的支持，电容器具有存储电能的作用，但这种存储能力易受该装置结构、材料质量等方面的影响。在开展高压直流断路器开断试验过程中，借助高压设备进行试验尤需重视高压试验环境的安全性。根据交流单频震荡试验法的应用情况看，其与实际要求相符合，且对提升电容器自身的电能储存能力具有重要作用。通过电压交流电为电容器装置进行充电，将电容器作为电源，在电量在不断上升达到临界线时便可释放部分电能，这时对于处于高压工作状态下的高压直流断路器的工作情况进行详细的试验与分析。

这种试验方法的最大优点在于结构较为简单，试验平台搭建难度不大，通过对电感进行调节以改变流向直流断路器的电流大小等参数。但该试验方法也有一定的缺点，当直流断路器电压等级较高的情况下，为保障断路器的正常运行则需大量的电容器组，这就需投入充足的资金成本，加上在试验过程中所使用的电容器组在充电方面存在一些问题，如充电效率低、耗电量高，导致能量的浪费，所以能量利用率有待提高。

3.3 电感储能直接试验法

对于高速运作的高压直流断路器可选择使用电感储能直接试验法展开试验。荷兰著名的KEMA实验室曾采用三相发电机对每一相对应的电感进行充电，将每一相的电感列为L1、L2、L3、将其分别与三相发电机的每一相进行串联便对其进行充电。这时适当增加发电机的数量，通过试验和观察可知，发电机产生的电流呈不断上升趋势，储能电感中产生的电流幅值也随之上升。根据相关记录数据可知，实验室产生的直流电流上限为40～50kA。

通过研究和分析电感储能直接试验法的实践情况，其具有一定的优缺点。该试验方法所产生的电流具有较差的衰减速率，具有较长的持续时间。然而试验断路器两端电压与高压直流断路器实际运行过程中两端的电压相比，根据数据可知前者电压要低于后者电压，所以这种开断试验方法的等效性不足，不能满足高电压等级试验要求。虽在试验过程中断路器能对故障电流进行及时开断，但实际开断过程中还存在较大的开断难度。在试验中发电机电感储能回路对电感的值具有较大的需求，只有确保电感的值与试验的实际需求相符合，也就是电感的值要大才能更好地存储更多的能量，以此促进开断试验的顺利进行。同时产生电流的衰减速率和幅值易受发电机电感储能回路等各项参数的影响，所以电感储能直接试验法存在较大的弊端，并不属于主流试验方法。

3.4 合成试验法

根据相关调查数据可知，直接试验法对电源容量具有较高要求，同时还存在经济性较差等缺点，考虑到经济性、等效性等方面影响，推动了合成试验法的大力推广和应用，其是电压源与电流源来自不同回路的一种试验方法，在开展试验过程中，线路中不仅具备电容器还需设置所需的电气装置。与其他试验方法相比合成试验法更具优势，不仅可降低试验成本还不需借助电容等设备，这些设备造价昂贵、维修费用高，若试验过程中对这些设备造成损害就得投入大量的维修经费，而利用合成试验法对高压直流断路器进行高压检测和试验可避免这些问题的发生，具备良好的发展前景[2]。

直接试验可知其断路器试验电压为55kV，开断电流则为2～16kA，而通过利用合成试验回路对无源型和有源型机械式直流断路器进行检测试验，将其开断后的电压提高至到105kV，更接近实际运行工况，这就能看出合成试验回路具备较高的等效性。

短路电流和恢复电压分别为不同回路进行提供，使高压直流断路器开断试验更具经济性，且便于调节这两个回路中的参数。根据其试验结果可知，合成试验法与不同电压等级的需求相符合，这也是合成试验法应用较多的主因。但利用合成试验法对机械式高压直流断路器进行开断试验的过程中，由于易受换流回路中电容的作用影响，导致机械开关两端的恢复电压上升率高于实际中的恢复电压上升率，这时候更不容易将短路故障电流进行开断，进而对高压直流断路器提出更高的要求，通过开断试验验证后的高压直流断路器能有效降低短路、起火等问题的发生，确保高压直流断路器的正常运行。

4 结语

高压直流断路器在高压电力系统运行中具有必不可缺的作用，是提高电力系统稳定性和安全性的重要保护装置。在多端直流输电工程迅速发展的大环境下，对高压直流断路器的稳定性提出了新的要求，以及对开断容量性能具有更高的要求，而通过良好的开断试验能够对高压直流断路器的性能进行科学的验证，不断研究和应用多元化的试验形式，并对其优缺点进行细致的研究和区分，结合实际情况选择合适的开断试验方法，在节约成本的同时还能保证直流断路器整体质量，从而有效为电力系统的安全运行提供重要保障。