高壓直流斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)方法的研究

河南省高壓電器研究所有限公司 李彥如 韓德保 廉凱凱 郭思遠(yuǎn)

引言

通常電壓可分為高壓和低壓，不同的電力系統(tǒng)具有不同的適用領(lǐng)域與作用。在高壓電使用的過(guò)程中，尤其需重視其安全性，歷年各種高壓電傷人事件頻頻發(fā)生，造成的后果也極為嚴(yán)重，為此需要提高對(duì)高壓直流斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)的重視程度，根據(jù)不同電壓等級(jí)等實(shí)際情況合理選擇相應(yīng)類(lèi)型的高壓直流斷路器，當(dāng)高壓直接輸送中出現(xiàn)故障電流時(shí)，斷路器會(huì)及時(shí)將故障電流進(jìn)行切除，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的高效保護(hù)，在保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)還能減少損失、節(jié)約電能。

1 高壓直流斷路器常見(jiàn)故障及產(chǎn)生原因

高壓斷路器常見(jiàn)故障一般包括絕緣故障、拒動(dòng)故障等。絕緣故障是最為常見(jiàn)的故障，產(chǎn)生原因復(fù)雜多樣，如爆炸、內(nèi)以及外絕緣故障等；直流斷路器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中其內(nèi)部出現(xiàn)異常導(dǎo)致斷路器自身受到不同程度的損害，還有開(kāi)關(guān)柜內(nèi)元件的質(zhì)量也會(huì)影響到斷路器的正常運(yùn)行，若是質(zhì)量不合格則會(huì)引起部分短路故障的發(fā)生；拒動(dòng)故障也是普遍存在的故障之一，當(dāng)高壓直流斷路器保持正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，主要是通過(guò)分合方式對(duì)電流進(jìn)行控制，當(dāng)發(fā)生拒動(dòng)故障時(shí)若是不及時(shí)進(jìn)行分合操作則會(huì)無(wú)法及時(shí)切斷故障，造成越級(jí)跳閘，故障區(qū)域則會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。造成拒動(dòng)故障的原因一般是因電氣裝置、機(jī)械開(kāi)關(guān)等，因此需對(duì)高壓直流斷路器存在的故障及產(chǎn)生原因展開(kāi)詳細(xì)檢測(cè)和分析，依據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的解決措施。

2 高壓直流斷路器的構(gòu)成分析

高壓直流斷路器具有切斷電網(wǎng)故障部分的作用，在高壓直流輸電電網(wǎng)中也具有極其重要的保護(hù)作用，其構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜且具備高科技性。當(dāng)前高壓直流斷路器的種類(lèi)較多，如機(jī)械式高壓直流斷路器、混合式高壓直流斷路器、全固態(tài)式高壓直流斷路器等，都具備著保護(hù)電路安全的性能和作用，其中機(jī)械式高壓直流斷路器的應(yīng)用頻率最高。

2.1 機(jī)械式高壓直流斷路器

其構(gòu)成部分主要包括機(jī)械開(kāi)關(guān)、電流轉(zhuǎn)移支路和能量吸收支路，電流轉(zhuǎn)移支路主要是供電流進(jìn)行流通，而能量吸收支路主要負(fù)責(zé)吸收能量，當(dāng)高壓電路在進(jìn)行運(yùn)作的過(guò)程中機(jī)械開(kāi)關(guān)一般處于閉合狀態(tài)下，電流會(huì)通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)始進(jìn)行流通，在進(jìn)行高壓電力使用的過(guò)程中有效降低能耗，減少電力系統(tǒng)中電力的浪費(fèi)。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障影響到正常運(yùn)行時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)便會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)電路，電力便會(huì)通過(guò)其他支路繼續(xù)進(jìn)行流通，并通過(guò)電流轉(zhuǎn)移支路與能量吸收支路形成一個(gè)閉合回路。

當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，直流電流會(huì)在直流斷路器中進(jìn)行流動(dòng)，如直流系統(tǒng)存在異?，F(xiàn)象如短路等，直流斷路器會(huì)及時(shí)將電路斷開(kāi)以遏制短路故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)能量吸收支路中的電容器具有存儲(chǔ)電力的性能，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)通過(guò)能量吸收支路可吸收多余的能量，即使電壓過(guò)高也不會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備自身出現(xiàn)燒毀等問(wèn)題，有效提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，還能減少經(jīng)濟(jì)的損失。分析機(jī)械式直流斷路器的原理，其具體類(lèi)型包括無(wú)源型直流斷路器、有源型直流斷路器。

2.2 混合式高壓直流斷路器

與機(jī)械式直流斷路器相比其所使用的開(kāi)關(guān)是固態(tài)開(kāi)關(guān)，但也是由載流轉(zhuǎn)移支路、固態(tài)開(kāi)關(guān)和能量吸收支路這三部分所構(gòu)成。在混合式高壓直流斷路器運(yùn)行時(shí)固態(tài)開(kāi)關(guān)處于未閉合狀態(tài)，電力通過(guò)載流轉(zhuǎn)移支路進(jìn)行流動(dòng)，能量吸收支路中的電容器會(huì)將部分電力進(jìn)行儲(chǔ)存。當(dāng)電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，過(guò)大的電流易對(duì)人員及設(shè)備造成不同程度的傷害，這時(shí)需及時(shí)閉合固態(tài)開(kāi)關(guān)，電流便會(huì)向著支路流動(dòng)。在工作時(shí)電流會(huì)從固態(tài)開(kāi)關(guān)開(kāi)始進(jìn)行流動(dòng)，部分電流會(huì)向能量轉(zhuǎn)移支路流通且被吸收，這樣能避免對(duì)載流轉(zhuǎn)移支路上的設(shè)備造成不同程度的破壞，夠確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 全固態(tài)式高壓直流斷路器

其主要組為固態(tài)開(kāi)關(guān)支路、能量吸收支路。在工作的過(guò)程中固態(tài)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，電流會(huì)通過(guò)固態(tài)開(kāi)關(guān)支路開(kāi)始進(jìn)行流動(dòng)并向負(fù)載進(jìn)行流通。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)固態(tài)開(kāi)關(guān)會(huì)及時(shí)將故障電流開(kāi)斷，接著能量吸收支路會(huì)將感性元件中的部分能量進(jìn)行吸收，以此保障電力系統(tǒng)的安全性能。

早在1987年美國(guó)就曾以GTO為開(kāi)斷元件，并通過(guò)深入研究和開(kāi)發(fā)推動(dòng)了200V/15A的全固態(tài)式直流斷路器的興起和應(yīng)用。隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在2005年出現(xiàn)了4.5kV/4kA的直流固態(tài)斷路器樣機(jī)。通過(guò)試驗(yàn)和應(yīng)用情況可知，單個(gè)電力電子器件具有一定的缺點(diǎn)、如耐壓能力較差等。在高壓電領(lǐng)域中應(yīng)用全固態(tài)式直流斷路器，需將大量的電力電子器件串聯(lián)在一起，這樣不僅需耗費(fèi)大量資金成本，對(duì)其進(jìn)行控制存在很大的難度，同時(shí)損耗也非常大，所以全固態(tài)式直流斷路器比較適用于中低壓領(lǐng)域。

3 高壓直流斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)的具體方法

3.1 短路發(fā)電機(jī)直接試驗(yàn)法

通常在高壓直流斷路器使用前需對(duì)其進(jìn)行開(kāi)斷試驗(yàn)，主要是為防止高壓直流斷路器在投入使用的過(guò)程中出現(xiàn)安全事故。在對(duì)電氣直流斷路器進(jìn)行高壓試驗(yàn)前需提前做好準(zhǔn)備工作，根據(jù)相關(guān)信息和實(shí)際情況預(yù)測(cè)哪些情況可能會(huì)發(fā)生，并依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果制定切實(shí)可靠的緊急處理與預(yù)防方案，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)便可及時(shí)采用事先制定好的應(yīng)急方案，在保障電力系統(tǒng)安全性能的同時(shí)還能降低經(jīng)濟(jì)損失，以及保障后續(xù)工作的有序進(jìn)行[1]。

在進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作時(shí)，首先需對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)回路、試驗(yàn)參數(shù)等進(jìn)行檢查，確保其與試驗(yàn)需求相符合，同時(shí)還得對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的安全性進(jìn)行確認(rèn)，主要是為保障相關(guān)工作人員人身安全，以及確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性和可靠性。接著對(duì)試驗(yàn)儀器和設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)檢查，對(duì)存在異常問(wèn)題的儀器設(shè)備及時(shí)進(jìn)行更換，否則會(huì)影響到試驗(yàn)工作的正常進(jìn)行，甚至造成人員或設(shè)備的傷害。

當(dāng)前期準(zhǔn)備工作結(jié)束后即可開(kāi)展高壓直流斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)工作。首先需對(duì)電氣設(shè)備的耐壓能力進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)，通過(guò)耐壓試驗(yàn)?zāi)艹浞至私鈨x器的質(zhì)量，如高壓直流斷路器的耐壓能力較低則無(wú)法在高壓領(lǐng)域中發(fā)揮出其開(kāi)斷及保護(hù)設(shè)備的作用。確保高壓直流斷路器的質(zhì)量與實(shí)際需求相符合，進(jìn)一步則需運(yùn)用短路發(fā)電機(jī)試驗(yàn)法開(kāi)展試驗(yàn)，由于采用直流電流源的方法存在很大的難度，所以可選擇低頻交流電源，運(yùn)用相關(guān)技術(shù)將其模擬直流短路故障電流，而試驗(yàn)電源以短路發(fā)電機(jī)為主。

在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，結(jié)合電磁感應(yīng)的原理知識(shí)，將滑動(dòng)變阻器和開(kāi)關(guān)設(shè)置在含有電源的部位，接著運(yùn)用開(kāi)關(guān)對(duì)滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這時(shí)電流會(huì)隨著滑動(dòng)變阻器的阻值產(chǎn)生相應(yīng)變化，同時(shí)當(dāng)原線(xiàn)圈的電流產(chǎn)生變化時(shí)，其他感應(yīng)線(xiàn)圈中的高壓直流斷路器也會(huì)隨之變化。這時(shí)可通過(guò)觀(guān)察和分析原線(xiàn)圈的阻值判斷電流的上升速度，接著就可掌握高壓直流斷路器的工作情況。

3.2 交流單頻震蕩試驗(yàn)法

其是高壓直流斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)中較為常用的方法。在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中離不開(kāi)電容器裝置的支持，電容器具有存儲(chǔ)電能的作用，但這種存儲(chǔ)能力易受該裝置結(jié)構(gòu)、材料質(zhì)量等方面的影響。在開(kāi)展高壓直流斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)過(guò)程中，借助高壓設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)尤需重視高壓試驗(yàn)環(huán)境的安全性。根據(jù)交流單頻震蕩試驗(yàn)法的應(yīng)用情況看，其與實(shí)際要求相符合，且對(duì)提升電容器自身的電能儲(chǔ)存能力具有重要作用。通過(guò)電壓交流電為電容器裝置進(jìn)行充電，將電容器作為電源，在電量在不斷上升達(dá)到臨界線(xiàn)時(shí)便可釋放部分電能，這時(shí)對(duì)于處于高壓工作狀態(tài)下的高壓直流斷路器的工作情況進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)與分析。

這種試驗(yàn)方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，試驗(yàn)平臺(tái)搭建難度不大，通過(guò)對(duì)電感進(jìn)行調(diào)節(jié)以改變流向直流斷路器的電流大小等參數(shù)。但該試驗(yàn)方法也有一定的缺點(diǎn)，當(dāng)直流斷路器電壓等級(jí)較高的情況下，為保障斷路器的正常運(yùn)行則需大量的電容器組，這就需投入充足的資金成本，加上在試驗(yàn)過(guò)程中所使用的電容器組在充電方面存在一些問(wèn)題，如充電效率低、耗電量高，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)，所以能量利用率有待提高。

3.3 電感儲(chǔ)能直接試驗(yàn)法

對(duì)于高速運(yùn)作的高壓直流斷路器可選擇使用電感儲(chǔ)能直接試驗(yàn)法展開(kāi)試驗(yàn)。荷蘭著名的KEMA實(shí)驗(yàn)室曾采用三相發(fā)電機(jī)對(duì)每一相對(duì)應(yīng)的電感進(jìn)行充電，將每一相的電感列為L(zhǎng)1、L2、L3、將其分別與三相發(fā)電機(jī)的每一相進(jìn)行串聯(lián)便對(duì)其進(jìn)行充電。這時(shí)適當(dāng)增加發(fā)電機(jī)的數(shù)量，通過(guò)試驗(yàn)和觀(guān)察可知，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流呈不斷上升趨勢(shì)，儲(chǔ)能電感中產(chǎn)生的電流幅值也隨之上升。根據(jù)相關(guān)記錄數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的直流電流上限為40～50kA。

通過(guò)研究和分析電感儲(chǔ)能直接試驗(yàn)法的實(shí)踐情況，其具有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。該試驗(yàn)方法所產(chǎn)生的電流具有較差的衰減速率，具有較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。然而試驗(yàn)斷路器兩端電壓與高壓直流斷路器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中兩端的電壓相比，根據(jù)數(shù)據(jù)可知前者電壓要低于后者電壓，所以這種開(kāi)斷試驗(yàn)方法的等效性不足，不能滿(mǎn)足高電壓等級(jí)試驗(yàn)要求。雖在試驗(yàn)過(guò)程中斷路器能對(duì)故障電流進(jìn)行及時(shí)開(kāi)斷，但實(shí)際開(kāi)斷過(guò)程中還存在較大的開(kāi)斷難度。在試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)電感儲(chǔ)能回路對(duì)電感的值具有較大的需求，只有確保電感的值與試驗(yàn)的實(shí)際需求相符合，也就是電感的值要大才能更好地存儲(chǔ)更多的能量，以此促進(jìn)開(kāi)斷試驗(yàn)的順利進(jìn)行。同時(shí)產(chǎn)生電流的衰減速率和幅值易受發(fā)電機(jī)電感儲(chǔ)能回路等各項(xiàng)參數(shù)的影響，所以電感儲(chǔ)能直接試驗(yàn)法存在較大的弊端，并不屬于主流試驗(yàn)方法。

3.4 合成試驗(yàn)法

根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)可知，直接試驗(yàn)法對(duì)電源容量具有較高要求，同時(shí)還存在經(jīng)濟(jì)性較差等缺點(diǎn)，考慮到經(jīng)濟(jì)性、等效性等方面影響，推動(dòng)了合成試驗(yàn)法的大力推廣和應(yīng)用，其是電壓源與電流源來(lái)自不同回路的一種試驗(yàn)方法，在開(kāi)展試驗(yàn)過(guò)程中，線(xiàn)路中不僅具備電容器還需設(shè)置所需的電氣裝置。與其他試驗(yàn)方法相比合成試驗(yàn)法更具優(yōu)勢(shì)，不僅可降低試驗(yàn)成本還不需借助電容等設(shè)備，這些設(shè)備造價(jià)昂貴、維修費(fèi)用高，若試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)這些設(shè)備造成損害就得投入大量的維修經(jīng)費(fèi)，而利用合成試驗(yàn)法對(duì)高壓直流斷路器進(jìn)行高壓檢測(cè)和試驗(yàn)可避免這些問(wèn)題的發(fā)生，具備良好的發(fā)展前景[2]。

直接試驗(yàn)可知其斷路器試驗(yàn)電壓為55kV，開(kāi)斷電流則為2～16kA，而通過(guò)利用合成試驗(yàn)回路對(duì)無(wú)源型和有源型機(jī)械式直流斷路器進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，將其開(kāi)斷后的電壓提高至到105kV，更接近實(shí)際運(yùn)行工況，這就能看出合成試驗(yàn)回路具備較高的等效性。

短路電流和恢復(fù)電壓分別為不同回路進(jìn)行提供，使高壓直流斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)更具經(jīng)濟(jì)性，且便于調(diào)節(jié)這兩個(gè)回路中的參數(shù)。根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果可知，合成試驗(yàn)法與不同電壓等級(jí)的需求相符合，這也是合成試驗(yàn)法應(yīng)用較多的主因。但利用合成試驗(yàn)法對(duì)機(jī)械式高壓直流斷路器進(jìn)行開(kāi)斷試驗(yàn)的過(guò)程中，由于易受換流回路中電容的作用影響，導(dǎo)致機(jī)械開(kāi)關(guān)兩端的恢復(fù)電壓上升率高于實(shí)際中的恢復(fù)電壓上升率，這時(shí)候更不容易將短路故障電流進(jìn)行開(kāi)斷，進(jìn)而對(duì)高壓直流斷路器提出更高的要求，通過(guò)開(kāi)斷試驗(yàn)驗(yàn)證后的高壓直流斷路器能有效降低短路、起火等問(wèn)題的發(fā)生，確保高壓直流斷路器的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓直流斷路器在高壓電力系統(tǒng)運(yùn)行中具有必不可缺的作用，是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的重要保護(hù)裝置。在多端直流輸電工程迅速發(fā)展的大環(huán)境下，對(duì)高壓直流斷路器的穩(wěn)定性提出了新的要求，以及對(duì)開(kāi)斷容量性能具有更高的要求，而通過(guò)良好的開(kāi)斷試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)Ω邏褐绷鲾嗦菲鞯男阅苓M(jìn)行科學(xué)的驗(yàn)證，不斷研究和應(yīng)用多元化的試驗(yàn)形式，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致的研究和區(qū)分，結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的開(kāi)斷試驗(yàn)方法，在節(jié)約成本的同時(shí)還能保證直流斷路器整體質(zhì)量，從而有效為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供重要保障。