直流断路器大容量试验室的现状与进展

贺开华 彭海波

（1. 海军驻湖南地区军事代表室，湘潭 411101；2. 中船重工集团公司第712研究所，武汉 430064）

1 引言

目前，直流断路器主要用于直流牵引系统和直流输电系统，轨道交通系统的直流断路器主要功能是正常情况下电流的通断和故障电流时的保护，电压等级一般为DC750～3000 V。直流输电系统的直流断路器主要进行额定电流的开断，电压等级一般为20 ～500 kV。

直流断路器的检测和试验主要分三大部分即绝缘试验、大容量试验和机械温升试验。相对而言，绝缘问题和机械温升问题都可以在设计中通过经验公式得以计算分析，而断路器的开断能力，目前还主要通过大容量试验来验证确定，因而大容量试验室的设备和试验技术尤为重要。

轨道交通系统的直流断路器和高压直流输电系统的直流断路器从原理上有所不同，针对不同断路器的选取适当的试验方法无疑是一种比较合理的方式。

2 直流断路器工作原理及分断能力试验方法

2.1 直流断路器工作原理

针对轨道交通系统的直流断路器，一般主要为空气断路器[1]，其工作原理如图1所示。

图1 直流空气断路器原理图

通过金属栅片切割电弧将长弧变为多个短弧，利用短弧的近极压降提高电弧电压熄灭电弧，进而分断电流。

针对高压直流输电系统的直流断路器，目前工程成熟的直流断路器一般为采用转移原理的有源振荡直流断路器[2]，其工作原理如图 2所示。通过预先充有和系统反向电压的电容C向断路器CB注入反向电流形成零点。

图2 一次转移原理限流器原理图

2.2 直流断路器开断能力试验方法

针对直流空气断路器，其开断能力试验只能通过短路发电机或直接试验完成，试验线路图如图3所示。

图中的短路发电机G亦可为交流电网。

针对转移原理的高压直流断路器，如果采用短路发电机或直接试验完成从经济性和现实性均不可行。采用合成回路是一种比较合理可行的方式[3,4]。图4为试验线路。其中左边为电流源，右边为电压源。图中左边的电流源的发电机即可为交流电网。工作过程如图5所示。

图3 直流空气断路器试验线路图

工作过程如下：

（1）AB1和TB同时打开，产生电弧电压；

（2）当TB的燃弧时间等于预期值是，火花间隙Gap引燃；

（3）AB2合闸旁路直流电流；

（4）当电流由AB1-TB支路旁路到AB2时，AB1过零；

（5）AB1过零后，TB单独承受电压源注入的电流；

（6）注入TB的振荡电流过零同时承受恢复电压；

（7）整流器封锁触发信号。

图4 高压直流断路器合成试验回路

3 国内外直流断路器大容量试验室的现状

直流断路器大容量实验室是一个国家直流断路器工业研究水平能力的集中体现。国外行业领先的电气公司均建有自己的大容量实验室。除此之外还有一些独立的大容量实验室等。这些实验室均根据现代工业电力系统的发展需要，持续不断的进行扩容和升级，以期满足发展的需要和为新产品开发和新技术应用提供支撑。

图5 合成回路工作时序

大容量实验室是断路器产品开发研制的重要工具，特别是断路器的开断能力，主要依赖试验来确定。

对于一款新型断路器的开发，除了应力方面的数值计算，以及磁场强度和电场强度的计算以外，断路器开断能力的研究基本上仍处于反复试验的水平上。对于一款新型断路器分断能力的确定更多是通过“试—凑”的方式完成。主要是开关熄弧过程涉及理论面广、内容庞杂、相关物理领域的内容人们还没有完全掌握。使得分断能力的数值分析和仿真计算非常困难，目前的仿真工作只是定性的增加人们对相关理论现象的认识，并为寻找相应规律的试验提供解释。试验研究是断路器产品，特别是新型断路器研制的必须手段。

世界各国直流断路器大容量试验室的试验能力分别如表1和表2所示。

表1 低压直流断路器大容量试验室

法国 Ferraz Shawmut短路发电机1250 4500 140 4荷兰 KEMA 短路发电机 1600 260捷克 ZKU 短路发电机2000 4000 80 40

从表1可知，除意大利的CESI外，其它国家均为短路发电机。从表2可知，针对高压直流断路器，均采用合成回路。实际上，世界各国的直流大容量试验室和各国的直流断路器研究水平息息相关，世界先进水平的直流断路基本上均出自于具有高水平试验能力的国家。

表2 高压直流断路器大容量试验室

4 结论

大容量实验室是推动断路器专业发展的重要技术平台，是直流断路器产品开发研制的重要工具，是验证直流断路器开断能力的唯一和必备手段。大容量试验室对促进和推动断路器的研究水平的提高有重要意义。

[1] 张冠生主编. 电器理论基础[M]. 北京: 机械工业出版社, 1980.

[2] Dag Andersson and Anders Henriksson. Passive and active DC breakers in the three gorges changzhou HVDC project. proceeding of 2001 international conference on power systems (ICPS2001), pp.391-395.

[3] Baoliang Sheng. A synthetic test circuit for current switching tests of HVDC circuit breakers, IEEE PES 2008 T&D Chicago Meeting, Apr. 21 - 24.

[4] 王永荣, 孙广生, 严萍, 冯荣琼. 高压直流开断的合成试验回路的等价性及其设计. 电工电能新技术[J],1990, (3): 8-15.