羅 琛

（國網陜西省電力有限公司咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000）

引言

直流系統(tǒng)電流因沒有過零點，并不能完成交流斷路器等的一些操作，通常需要通過人工的方式進行相應的處理?；旌鲜礁邏褐绷鲾嗦菲髦饕ㄟ^主支路和轉移支路以及耗能支路等進行一定時序的內部換流，以通過這樣的處理創(chuàng)造過零點和推進直流的開斷。

對于主支路來說，其主要涉及到快速機械開關和電子模塊在貫通電流方面有著極為重要的作用。轉移支路主要包括多級轉移支路子單元模塊，對直流系統(tǒng)存在的短路電流有著一定的承載作用，且能夠為并聯電容充電，在開斷電壓等方面有著極為重要的作用；相應的耗能支路主要包括多個金屬氧化物壓敏電阻，在控制電壓和推進線路運行等方面有著重要的作用。

因高壓直流斷路器在多端直流輸電網絡中有著極為重要的作用，因此這方面的研究和應用在當前比較熱門。

1 混合式高壓直流斷路器概述

傳統(tǒng)的機械式斷路器極易受到滅弧介質等的影響，因此很難為現實性的需求提供保障。加之開斷電弧會對觸頭產生燒蝕作用，必定會對斷路器的長效運行造成不良的影響。不僅如此，固態(tài)斷路器也有著一些問題，通態(tài)損耗大等不良情況比較突出[3]。就現實性的情況來說，通過機械開關和電力電子開關等的靜動態(tài)的處理，即能在通流和耐壓上達到既定的要求，以此為基礎行程的混合式直流斷路器顯然有著更為突出的應用價值，見圖1。

圖1 運行原理圖

2 高壓直流斷路器的技術要求

對于高壓直流斷路器來說，其主要在多端柔性直流輸電系統(tǒng)等設備的保護中有著突出的作用。就系統(tǒng)保護來說，直流斷路器的技術處理務必要保證嚴謹精細。需要注意的是，不管是混合式還是機械式，都應達到既定的技術要求。

2.1 快速保護

因柔性直流輸電系統(tǒng)阻抗較小，出現短路故障的情況下，斷路器的電流即會迅速上升。在這樣的條件下，保證斷路器能夠在3～5 ms內完成故障電流的開斷。如果無法達到這方面的要求，即會對電路的運行造成不良的影響，且會出現諸多的成本損耗[1]。

2.2 重合閘功能

對于架空線的柔性直流電網的處理來說，相應的斷路器應達到快速重合閘的具體要求，這樣才能為線路故障等提供切實的保護。具體處理的過程中，應重點關注保護換流閥和斷路器等的能力表現，且應做好重合閘后再分斷的有效布置，以為快速高效的開斷等處理提供切實的保障。需要注意的是，因重合閘呈現出的能量吸收較之單次開斷更大，這樣一來就應重點關注前期的設計，以為斷路器的穩(wěn)定運行提供切實的保障。

2.3 故障就地檢測與識別功能

一般規(guī)格的交流系統(tǒng)盡管對開斷時間有著一定的規(guī)定，但并未達到柔性系統(tǒng)的標準，相對來說尺度較為寬松。要想高效地推進對故障的選擇性保護，就應加強不同分支線路上斷路器的合理設定，推進分合閘的合理運行，如此電力的輸送即能得到切實的安全保障。

直流系統(tǒng)因運行起來比較快，如果按照交流系統(tǒng)的控制方法進行，就應做好直流斷路器的動作設計，且應做好精細地測試，斷路保護系統(tǒng)等也應確保穩(wěn)定有序地運行，如此才能切實地保障系統(tǒng)運行的穩(wěn)定與安全。對于其中涉及到的動作命令來說，其通過繼電保護系統(tǒng)傳輸到直流斷路器往往需要一定的時間，其中存在著時間的延遲，這樣的一種情況就應注意斷路器的動作時間設計。鑒于此，如果沒有更為有效的直流電網的繼電保護技術，要實現直流斷路器的快速動作，就應確保相關設備在檢測和識別故障方面達到既定的要求。由此可見，此處涉及到的斷路器與交流系統(tǒng)并不相同，相關的開斷裝置更為直接，并不具備保護等綜合性功能。

3 試驗技術研究

對于混合式高壓直流斷路器的實驗和考核來說，應重點關注工作原理以及系統(tǒng)運行的具體分析，在這樣的條件下與既定的設備試驗進行結合，為后續(xù)的高效處理提供切實的保障。通過以上的分析，所制定的試驗方案不僅要對直流斷路器在系統(tǒng)運行各種條件下的耐受電熱等進行精細考核，而且還應確保所推進各項試驗的等效性，這樣才能為后續(xù)的正式處理提供一定的參考。對于試驗宏觀等效性來說，其主要所指的是試品能夠承受的電熱和機械應力的水平或是超過模擬的一種狀態(tài)。試驗微觀等效性則是對試品是否發(fā)生與模擬情況不同的一種變化判定。就現實性的情況來說，要想精細地考核混合式高壓直流斷路器的各項性能，就應做好其中主要組件的試驗，以通過精細全面的試驗和分析，為現實性的設備運行提供切實的保障。

3.1 快速機械開關

對于混合型高壓直流斷路器來說，其中涉及到的中快速機械開關的電氣應力如圖2所示，其中斷路器斷開條件下的系統(tǒng)額定直流電壓為udc；同樣條件下的瞬態(tài)分斷電壓為ub；承載系統(tǒng)額定及過負荷條件下的電流為i1；承載故障狀態(tài)條件下的短路電流；直流斷路器未能完成換流的電流。

圖2 快速機械開關電氣應力圖

通過對電氣應力的分析來看，快速機械開關處在混合式高壓直流斷路器開斷電流的條件下，即屬于無弧分斷，其承擔著快速隔斷電壓的功能?；谝陨系奶幚?，所進行的絕緣試驗等即可按照交流開關規(guī)范實施。

對于混合式高壓直流斷路器來說，快速機械開關對分斷速度有著更為嚴格的要求，通常不可大于2 ms。因此，如果轉移支路閉鎖產生沖擊電壓，快速機械開關的動觸頭仍舊有很大可能會處在運動狀態(tài)，其承受過電壓的可能性也就比較大。如果該過程中涉及到機械開關的絕緣強度較低，即不能為斷路器的開斷提供相應的支持，且會出現一些不良的情況。鑒于此，就應加強對相關設備進行沖擊絕緣能力的試驗和考核。就試驗層面來說，基于快速機械開關的一些特性，本文提出如圖3所示的動態(tài)沖擊絕緣試驗方案[2]。

圖3 快速機械開關動態(tài)沖擊絕緣試驗原理圖

首先通過試驗控制裝置將分閘指令發(fā)送到快速機械開關的控制裝置中，如圖4中第1個高電平波形所示；而后延時Δt（單位為ms），再將觸發(fā)指令發(fā)送給沖擊發(fā)生器，相關的情況如圖4中第2個高電平波形所示；對于沖擊發(fā)生器來說，其將電壓施加到分閘的過程中，電壓波形等的一些具體表現可參照圖4。

圖4 快速機械開關動態(tài)沖擊試驗波形圖

需要注意的是，所進行的動態(tài)沖擊試驗的波形應與實際的情況保持一致。對于實際開斷過電壓來說，所涉及到的波前時間主要與短路電流等的等效電容等有著一定的關系，因此相關的表現應重點關注，通常應使其處在20～50μs。

對于波尾來說，其特性表現與系統(tǒng)短路能量等有著一定的關系，其中應注意電流消耗的時間，以為相關的設計提供一定的參考。

3.2 主支路閥組

對于主支路閥組來說，其正常工作條件下的額定電流應具備一定的短時過負荷的功能。具體來說，如果斷路器開斷時，應使主支路等有序地進行運行，這樣所達到的分斷電流的效果才會更為理想。

除了以上所談到的一些處理，斷路器還應確保電氣應力的穩(wěn)定，尤其應確?；旌鲜礁邏褐绷鲾嗦菲鞴收蠣顟B(tài)下的穩(wěn)定運行。

通常情況下，如果系統(tǒng)發(fā)生短路故障，混合式高壓直流斷路器往往無法進行分斷，此時就應通過支路閥組進行相應的故障防控，以為后續(xù)的故障排除等提供切實的保障[3]。主支路閥組電氣應力如圖5所示。

圖5 主支路閥組電氣應力示意圖

基于以上的情況，主支路閥組的電氣應力主要為：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)條件下的額定及短時過負荷的電流i1；承載并關斷故障態(tài)的電流iz；承載未能換流的電流；承受換流過程中的充電電壓uz。

通過對應力的分析，確定主支路閥組應加強通流和短時電流耐受等的試驗，這樣后續(xù)的處理才能更為穩(wěn)定。

對于通流試驗來說，應確保主支路閥組長期流過系統(tǒng)電流，這樣的處理應與傳統(tǒng)半導體器件等有著一定的差別，開通和關斷等都應有所區(qū)別。就本文引述的案例來說，半導體器件則應處在長期導通狀態(tài)。

除了以上要進行的試驗，還應做好延長通流試驗時間的設計，以為現實性的運行提供切實的保障。

對于短時電流耐受試驗來說，如果直流斷路器存在故障，就應通過各支路對短路電流的承載進行故障的排除，以為相關的試驗提供一定的條件。此處應注意的是，主支路閥組務必要能夠承受一定時間的短路電流，這對于以上的處理來說有著極為重要的作用。

對于試驗電流來說，通?？赏ㄟ^電容電感等的處理進行，且應做好最大能量沖擊I2t的等效。

對于短路電流關斷電流試驗的來說，務必要保證主支路閥組短路電流關斷的穩(wěn)定，如此即能穩(wěn)定地推進短路電流的換流。對于關斷故障態(tài)的電流來說，相應的數值計算應可按照式（1）進行：

式中：iz為主支路閥組關斷故障態(tài)的電流值；i1為系統(tǒng)額定電流；tp為系統(tǒng)保護動作時間；tdb為直流斷路器開斷動作時間；di/dt為系統(tǒng)最大短路電流上升率。

3.3 轉移支路閥組

該部分主要是由多級半導體器件串聯構成，其運行的過程中，轉移支路兩段往往并不承受電壓，且不存在電流。

如果系統(tǒng)出現故障且轉移支路開通的條件下，應確保系統(tǒng)具備在短路電流處理方面的能力，同時還應能夠穩(wěn)定地關斷短路電流，在電壓控制方面也能達到既定的要求。對于轉移支路閥組電氣應力的具體情況，如圖6所示。

圖6 轉移支路閥組電氣應力示意圖

轉移支路閥組的電氣應力主要表現為：承載并關斷系統(tǒng)短路故障電流i2；承受關斷暫態(tài)過程中的沖擊電壓ub。

通過應力的分析可知，所涉及到的考核試驗應重點關注短時電流耐受試驗和最大短路電流分斷試驗。

就前者來說，如果主支路閥組關斷電流轉換到轉移支路，此時就應對相應的閥組進行調整，以使其快速機械開關達到既定的絕緣要求，此時即能進行電流的關斷。需要注意的是，這段時間應使相應的閥組具備短時承受故障電流的能力。對于試驗電流峰值來說，其所表示的混合式高壓直流斷路器所能承受的最大開斷電流，相應的耐受時間應不小于快速機械開關額定開距的分斷時間。此處涉及到的開關開距，主要與轉移支路閉鎖產生的開斷過電壓等有著一定的關系[4]。本文提出了一種基于電流源和電壓源合成的試驗方案，如圖7所示。

圖7 電流開斷試驗原理圖

對于后者來說，相應的開斷電流應基于轉移支路閥組進行，且應注意電流上升率的控制，以與現實性的情況保持協調。另外還應注意的是，只有在電流處在穩(wěn)定以后才可有序恢復電壓。

3.4 整機試驗

整機試驗主要涉及絕緣試驗和運行試驗。前者試驗的目的是保障斷路器過電壓條件下的特性表現，以基于這樣的試驗進行以下特性的測定和考核：

1）對于混合式高壓直流斷路器來說，應確保其絕緣水平的達標，以能夠承受所規(guī)定的各種過電壓；

2）應注重斷路器內部各種過電壓布置的正確；

3）應注意均壓回路額定容量的穩(wěn)定和達標；

4）處在各種過電壓的條件下，半導體器件閥組等所承受的電壓不得超過其電壓的耐受能力[5-6]；

5）各種電子回路應確保功能的穩(wěn)定。相關流程圖見圖8。

圖8 整機運行試驗回路原理圖

對于所進行的試驗，應基于斷路器的技術特性和系統(tǒng)運行的現實情況進行。對于混合式高壓直流斷路器來說，既要確保其能夠穩(wěn)定地開斷正常電流和故障電流，還應能夠保障換流系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。另外，還應確保系統(tǒng)在快速復合方面的功能穩(wěn)定[7-8]。鑒于此，所涉及到的斷路器試驗考核就應注意：

1）完成各個關鍵部件的集成以后，應注意混合式高壓直流斷路器整機配合性能的穩(wěn)定，特別是開斷時間，以使其處在既定的規(guī)定范圍內；

2）各個關鍵部件處在高電流和高電壓變化率條件下的電磁兼容，應確保其抗干擾的穩(wěn)定，綜合性能方面也應達到既定的要求；

3）整機的最大短路電流開斷和開斷過程中產生的瞬態(tài)過電壓的承受能力；

4）首次開斷條件下的間隔ta（單位為s）時間以及系統(tǒng)重合且故障未消除條件下的開斷能力表現；整機關合條件下的額定電流以及能夠承載短路電流的能力[9-10]。

4 結論

1）通過對混合式高壓直流斷路器的整機和快速機械開關等各個關鍵部件的分析，探究了極限工況條件下的電氣應力表現，對進行相關的針對性優(yōu)化有著極為重要的參考價值。

2）就混合式高壓直流斷路器的功能特性以及分析得出的電氣應力來看，相應的考核試驗應重點關注運行和絕緣等方面的處理，這樣才能切實保障相關操作的穩(wěn)定與高效。

3）對于快速機械開關所實施的動態(tài)沖擊絕緣試驗等相關的特殊試驗來說，本文提出了相對應的試驗方法，推進比較穩(wěn)定，所得出的結果較全面準確。