高压直流转换开关辅助回路振荡特性参数的检测与分析

李永祥，晋 涛，陈昱同

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

随着我国特高压直流工程的建设，直流电网的规模越来越大，高压直流转换开关设备的数量也越来越多。高压直流转换开关是换流站直流场的重要设备，主要用于直流输电系统各种运行方式的转换，如接地系统转换、故障处理及检修隔离等。由于直流系统电流没有过零点，无法应用交流断路器的灭弧技术来开关直流电流。因此，开断直流电流必须强迫过零，但当直流电流强迫过零，由于直流系统储存的能量需要释放，而能量释放则在回路上产生过电压，引起断路器断口间的电弧重燃，以致造成开断失败，所以吸收这些能量成为断路器开断的关键因素[1-2]。目前，三峡—常州等直流工程的直流断路器设计为每年最多可以进行20～30次正常转换。因此，为确保直流转换开关的可靠转换，开展辅助回路振荡特性参数测试显得十分必要。

目前，国内平高集团有限公司、中国西电集团有限公司、中国电力科学研究院、南方电网科学研究院、西安交通大学等高压开关设备生产企业和相关科研机构都在大力推进特高压直流转换开关的研制工作，关于直流转换开关的研究主要集中在其直流电流分断、熄弧机理、灭弧室核心部件设计、电流转换过程等方面[3-9]；但对于直流转换开关现场交接试验的研究较少，缺乏相应的测试系统及试验方法，对其辅助回路特性参数的测量还未形成相关的技术规范。为确保直流转关开关各项指标满足设计要求，须对该辅助回路的振荡频率和阻尼电阻进行现场实测。

1 高压直流转换开关

高压直流开关是一种采用振荡回路产生过零点进行关断的特殊开关，主要用来关断高压直流电流。在换流站中，通常有4种形式的高压直流开关，分别为金属回线转换断路器MRTB（metallic return transfer breaker）、中性母线开关NBS（neutral bus switch）、中性母线接地开关NBGS（neutral bus ground switch）、大地回线转换开关GRTS（ground return transfer switch），其主要用于进行直流输电系统各种运行方式与接地系统的转换等。在直流输电系统中的配置如图1所示。

图1 特高压直流输电工程直流转换开关的配置情况

1.1 类型及结构原理

我国已建成的高压直流换流站中，采用的直流断路器型式有无源型和有源型叠加振荡电流方式两种，中性母线开关（NBS）及辅助回路系统结构原理和实物图如图2所示。由图2可知，直流转换开关由3部分构成：由于交流断路器改造而来的转换开关；以形成电流过零点为目的的振荡回路；以吸收直流回路中储存的能量为目的的耗能元件。其中能量吸收支路主要为避雷器；电流转移支路包含电容C为转换电容器组，L为电容器的电感和线路的电感之和，机械开关主要为SF6断路器。直流系统正常运行时，直流电流流过直流断路器，当直流系统发生短路故障后，直流断路器中的机械开关触头分闸，此时电流转移支路贯通，产生高频振荡电流与直流短路电流共同作用出现人工过零点，机械开关在电流零点分断电流，机械开关两端恢复电压随即上升，当其上升到能量吸收支路的动作电压后，电流转移到能量吸收支路，完成1次直流电流开断[10]。

图2 高压直流转换开关结构原理图

1.2 4种直流转换开关技术参数

结合±800 kV雁门关换流站系统特性要求，4种直流转换开关的技术参数如表1所示。其中直流滤波场高压直流转换开关的配置情况如下：MRTB转换开关1台，NBS转换开关2台，NBGS转换开关1台，GRTS转换开关1台。

表1 直流转换开关相关技术参数

2 辅助回路振荡特性参数测试系统

2.1 系统测试原理

高压直流转换开关辅助回路特性参数测试系统如图3所示。该测试系统包含：电容电感测试仪、直流充电电源、HF积分器、罗氏线圈、示波器及辅助开关等设备。其原理为：当辅助回路l1导通时，通过罗氏线圈测得回路电流，由HF积分器进行信号转换，最终示波器捕获电流的振荡衰减信号。

2.2 振荡特性参数的计算

图3 直流转换开关辅助回路特性参数测试系统

通过直流电源给电容充完电之后，断开SW1控制开关，合上断路器CB，这时R、L、C串联构成二阶电路，回路中的电流i满足如下关系

其振荡角频率ω

衰减系数τ

电容量C直接测量得到，频率f由示波器直接获得，衰减系数τ由作图法求出。联立式（1）和式（2），可得出L、R。

3 测试系统的现场应用

3.1 MRTB辅助回路振荡特性

通过试验测试系统测得MRTB辅助回路电流振荡特性曲线如图4所示。通过电容电感测试仪测得转换电容器组的电容容量为61.8 μF，由图5可知，通过曲线拟合可得到图中振荡电流波形的渐进线方程为y=2.346exp(-0.000 993 6 t)，由此可得到辅助回路振荡周期为360.58 μs，衰减系数为1 006.4 μs，振荡频率为2 773 Hz；通过计算得到辅助回路电感为53.3 μH，回路电阻0.105 9 Ω。

图4 MRTB辅助回路电流振荡波形

3.2 GRTS辅助回路振荡特性

通过试验测试系统测得GRTS辅助回路电流振荡特性曲线如图5所示。通过电容电感测试仪测得转换电容器组的电容容量为61.9 μF，由图6可知，通过曲线拟合可得到图中振荡电流波形的渐进线方程为y=2.873exp(-0.001 123t)，由此可得到辅助回路振荡周期为347.02 μs，衰减系数为890.5 μs，振荡频率为2 882 Hz；通过计算得到辅助回路电感为61.9 μH，回路电阻0.110 7 Ω。

图5 GRTS辅助回路电流振荡波形

3.3 NBS辅助回路振荡特性

通过试验测试系统测得NBS辅助回路电流振荡特性曲线如图6所示。通过电容电感测试仪测得转换电容器组的电容容量为61.58 μF，由图6可知，通过曲线拟合可得到图中振荡电流波形的渐进线方程为y=-3.356exp(-0.001 323t)，由此可得到辅助回路振荡周期为307.08 μs，衰减系数为755.9 μs，振荡频率为3 256 Hz；通过计算得到辅助回路电感为38.8 μH，回路电阻0.102 8 Ω。

图6 NBS辅助回路振荡电流波形

3.4 NBGS辅助回路振荡特性

通过试验测试系统测得NBGS辅助回路电流振荡特性曲线如图7所示。通过电容电感测试仪测得转换电容器组的电容容量为61.86 μF，由图7可知，通过曲线拟合可得到图中振荡电流波形的渐进线方程为y=3.705exp(-0.002 244t)，由此可得到辅助回路振荡周期为325.4 μs，衰减系数为445.6 μs，振荡频率为3 073 Hz；通过计算得到辅助回路电感为43.4 μH，回路电阻0.194 6 Ω。

图7 NBGS辅助回路振荡电流波形

4 结论

高压直流转换开关应用于高压直流转换开关辅助回路振荡特性参数现场测试系统，测试结果表明4种直流转换开关辅助回路的振荡特性参数满足直流输电系统的要求，证明了测试方法及试验系统的有效性及正确性；另外，测试系统采用罗戈夫斯基线圈对辅助回流电流振荡特性进行测量，减小现场外界干扰的影响，提高了辅助回路的频率、阻尼电阻等特性参数现场实测的准确性和可靠性。