基于高压直流混合式断路器试验技术的应用

2022-02-28罗琛

现代工业经济和信息化 2022年12期

罗琛

（国网陕西省电力有限公司咸阳供电公司，陕西咸阳 712000）

引言

直流系统电流因没有过零点，并不能完成交流断路器等的一些操作，通常需要通过人工的方式进行相应的处理。混合式高压直流断路器主要通过主支路和转移支路以及耗能支路等进行一定时序的内部换流，以通过这样的处理创造过零点和推进直流的开断。

对于主支路来说，其主要涉及到快速机械开关和电子模块在贯通电流方面有着极为重要的作用。转移支路主要包括多级转移支路子单元模块，对直流系统存在的短路电流有着一定的承载作用，且能够为并联电容充电，在开断电压等方面有着极为重要的作用；相应的耗能支路主要包括多个金属氧化物压敏电阻，在控制电压和推进线路运行等方面有着重要的作用。

因高压直流断路器在多端直流输电网络中有着极为重要的作用，因此这方面的研究和应用在当前比较热门。

1 混合式高压直流断路器概述

传统的机械式断路器极易受到灭弧介质等的影响，因此很难为现实性的需求提供保障。加之开断电弧会对触头产生烧蚀作用，必定会对断路器的长效运行造成不良的影响。不仅如此，固态断路器也有着一些问题，通态损耗大等不良情况比较突出[3]。就现实性的情况来说，通过机械开关和电力电子开关等的静动态的处理，即能在通流和耐压上达到既定的要求，以此为基础行程的混合式直流断路器显然有着更为突出的应用价值，见图1。

图1 运行原理图

2 高压直流断路器的技术要求

对于高压直流断路器来说，其主要在多端柔性直流输电系统等设备的保护中有着突出的作用。就系统保护来说，直流断路器的技术处理务必要保证严谨精细。需要注意的是，不管是混合式还是机械式，都应达到既定的技术要求。

2.1 快速保护

因柔性直流输电系统阻抗较小，出现短路故障的情况下，断路器的电流即会迅速上升。在这样的条件下，保证断路器能够在3～5 ms内完成故障电流的开断。如果无法达到这方面的要求，即会对电路的运行造成不良的影响，且会出现诸多的成本损耗[1]。

2.2 重合闸功能

对于架空线的柔性直流电网的处理来说，相应的断路器应达到快速重合闸的具体要求，这样才能为线路故障等提供切实的保护。具体处理的过程中，应重点关注保护换流阀和断路器等的能力表现，且应做好重合闸后再分断的有效布置，以为快速高效的开断等处理提供切实的保障。需要注意的是，因重合闸呈现出的能量吸收较之单次开断更大，这样一来就应重点关注前期的设计，以为断路器的稳定运行提供切实的保障。

2.3 故障就地检测与识别功能

一般规格的交流系统尽管对开断时间有着一定的规定，但并未达到柔性系统的标准，相对来说尺度较为宽松。要想高效地推进对故障的选择性保护，就应加强不同分支线路上断路器的合理设定，推进分合闸的合理运行，如此电力的输送即能得到切实的安全保障。

直流系统因运行起来比较快，如果按照交流系统的控制方法进行，就应做好直流断路器的动作设计，且应做好精细地测试，断路保护系统等也应确保稳定有序地运行，如此才能切实地保障系统运行的稳定与安全。对于其中涉及到的动作命令来说，其通过继电保护系统传输到直流断路器往往需要一定的时间，其中存在着时间的延迟，这样的一种情况就应注意断路器的动作时间设计。鉴于此，如果没有更为有效的直流电网的继电保护技术，要实现直流断路器的快速动作，就应确保相关设备在检测和识别故障方面达到既定的要求。由此可见，此处涉及到的断路器与交流系统并不相同，相关的开断装置更为直接，并不具备保护等综合性功能。

3 试验技术研究

对于混合式高压直流断路器的实验和考核来说，应重点关注工作原理以及系统运行的具体分析，在这样的条件下与既定的设备试验进行结合，为后续的高效处理提供切实的保障。通过以上的分析，所制定的试验方案不仅要对直流断路器在系统运行各种条件下的耐受电热等进行精细考核，而且还应确保所推进各项试验的等效性，这样才能为后续的正式处理提供一定的参考。对于试验宏观等效性来说，其主要所指的是试品能够承受的电热和机械应力的水平或是超过模拟的一种状态。试验微观等效性则是对试品是否发生与模拟情况不同的一种变化判定。就现实性的情况来说，要想精细地考核混合式高压直流断路器的各项性能，就应做好其中主要组件的试验，以通过精细全面的试验和分析，为现实性的设备运行提供切实的保障。

3.1 快速机械开关

对于混合型高压直流断路器来说，其中涉及到的中快速机械开关的电气应力如图2所示，其中断路器断开条件下的系统额定直流电压为udc；同样条件下的瞬态分断电压为ub；承载系统额定及过负荷条件下的电流为i1；承载故障状态条件下的短路电流；直流断路器未能完成换流的电流。

图2 快速机械开关电气应力图

通过对电气应力的分析来看，快速机械开关处在混合式高压直流断路器开断电流的条件下，即属于无弧分断，其承担着快速隔断电压的功能。基于以上的处理，所进行的绝缘试验等即可按照交流开关规范实施。

对于混合式高压直流断路器来说，快速机械开关对分断速度有着更为严格的要求，通常不可大于2 ms。因此，如果转移支路闭锁产生冲击电压，快速机械开关的动触头仍旧有很大可能会处在运动状态，其承受过电压的可能性也就比较大。如果该过程中涉及到机械开关的绝缘强度较低，即不能为断路器的开断提供相应的支持，且会出现一些不良的情况。鉴于此，就应加强对相关设备进行冲击绝缘能力的试验和考核。就试验层面来说，基于快速机械开关的一些特性，本文提出如图3所示的动态冲击绝缘试验方案[2]。

图3 快速机械开关动态冲击绝缘试验原理图

首先通过试验控制装置将分闸指令发送到快速机械开关的控制装置中，如图4中第1个高电平波形所示；而后延时Δt（单位为ms），再将触发指令发送给冲击发生器，相关的情况如图4中第2个高电平波形所示；对于冲击发生器来说，其将电压施加到分闸的过程中，电压波形等的一些具体表现可参照图4。

图4 快速机械开关动态冲击试验波形图

需要注意的是，所进行的动态冲击试验的波形应与实际的情况保持一致。对于实际开断过电压来说，所涉及到的波前时间主要与短路电流等的等效电容等有着一定的关系，因此相关的表现应重点关注，通常应使其处在20～50μs。

对于波尾来说，其特性表现与系统短路能量等有着一定的关系，其中应注意电流消耗的时间，以为相关的设计提供一定的参考。

3.2 主支路阀组

对于主支路阀组来说，其正常工作条件下的额定电流应具备一定的短时过负荷的功能。具体来说，如果断路器开断时，应使主支路等有序地进行运行，这样所达到的分断电流的效果才会更为理想。

除了以上所谈到的一些处理，断路器还应确保电气应力的稳定，尤其应确保混合式高压直流断路器故障状态下的稳定运行。

通常情况下，如果系统发生短路故障，混合式高压直流断路器往往无法进行分断，此时就应通过支路阀组进行相应的故障防控，以为后续的故障排除等提供切实的保障[3]。主支路阀组电气应力如图5所示。

图5 主支路阀组电气应力示意图

基于以上的情况，主支路阀组的电气应力主要为：系统稳态条件下的额定及短时过负荷的电流i1；承载并关断故障态的电流iz；承载未能换流的电流；承受换流过程中的充电电压uz。

通过对应力的分析，确定主支路阀组应加强通流和短时电流耐受等的试验，这样后续的处理才能更为稳定。

对于通流试验来说，应确保主支路阀组长期流过系统电流，这样的处理应与传统半导体器件等有着一定的差别，开通和关断等都应有所区别。就本文引述的案例来说，半导体器件则应处在长期导通状态。

除了以上要进行的试验，还应做好延长通流试验时间的设计，以为现实性的运行提供切实的保障。

对于短时电流耐受试验来说，如果直流断路器存在故障，就应通过各支路对短路电流的承载进行故障的排除，以为相关的试验提供一定的条件。此处应注意的是，主支路阀组务必要能够承受一定时间的短路电流，这对于以上的处理来说有着极为重要的作用。

对于试验电流来说，通常可通过电容电感等的处理进行，且应做好最大能量冲击I2t的等效。

对于短路电流关断电流试验的来说，务必要保证主支路阀组短路电流关断的稳定，如此即能稳定地推进短路电流的换流。对于关断故障态的电流来说，相应的数值计算应可按照式（1）进行：

式中：iz为主支路阀组关断故障态的电流值；i1为系统额定电流；tp为系统保护动作时间；tdb为直流断路器开断动作时间；di/dt为系统最大短路电流上升率。

3.3 转移支路阀组

该部分主要是由多级半导体器件串联构成，其运行的过程中，转移支路两段往往并不承受电压，且不存在电流。

如果系统出现故障且转移支路开通的条件下，应确保系统具备在短路电流处理方面的能力，同时还应能够稳定地关断短路电流，在电压控制方面也能达到既定的要求。对于转移支路阀组电气应力的具体情况，如图6所示。

图6 转移支路阀组电气应力示意图

转移支路阀组的电气应力主要表现为：承载并关断系统短路故障电流i2；承受关断暂态过程中的冲击电压ub。

通过应力的分析可知，所涉及到的考核试验应重点关注短时电流耐受试验和最大短路电流分断试验。

就前者来说，如果主支路阀组关断电流转换到转移支路，此时就应对相应的阀组进行调整，以使其快速机械开关达到既定的绝缘要求，此时即能进行电流的关断。需要注意的是，这段时间应使相应的阀组具备短时承受故障电流的能力。对于试验电流峰值来说，其所表示的混合式高压直流断路器所能承受的最大开断电流，相应的耐受时间应不小于快速机械开关额定开距的分断时间。此处涉及到的开关开距，主要与转移支路闭锁产生的开断过电压等有着一定的关系[4]。本文提出了一种基于电流源和电压源合成的试验方案，如图7所示。