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高压直流断路器试验技术研究分析张益

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：张益1 徐红群2

[导读] 摘要：我国电力行业的快速发展推动我国整体经济建设发展迅速，使得我国快速进入现代化发展阶段。

        1身份证号 21010319811109xxxx
        2身份证号 21010419820906xxxx
        摘要：我国电力行业的快速发展推动我国整体经济建设发展迅速，使得我国快速进入现代化发展阶段。相比交流电网，直流输电在线路损耗、传输容量、传输距离、新能源并网、分布式发电等方面具有更大的优势。直流输电网可以提高输送能量、增加系统控制自由度并且提高供电质量。
        关键词：电弧；电流过零点；开断电流；振荡电路
        随着可再生能源发电的发展及用户对电能要求的不断提高，传统交流电网已难以满足可再生能源发电和负荷随机波动性对电网快速反应的要求。随着电压源型高压变流器和高压柔性直流输电技术的迅速发展，国内外对直流输电网的研究正日益深入。在输电领域，为适应新的能源格局，基于常规直流和柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术成为未来的发展趋势，多端直流输电实现了多电源供电、多落点受电，是一种更灵活、快捷的输电方式以，在此基础上如果将直流输电线路在直流侧互联形成直流电网，可以有效解决新能源并网带来的有功波动等问题，在未来城市智能配电网、微网等领域也具有较大优势，对我国未来电网的建设和发展具有重大意义。
        1.直流断路器的开断原理
        高压直流输电系统的重大难题是开断电流。由于直流电流无自然地过零点，如果采用强制开断电流的方法，由于从机械开关动作的开始到回复耐压能力需要几十毫秒的时间，因此达不到速动。而且强制开断电流会产生电弧，而且所产生的电弧能量非常大，因此会严重的威胁设备的安全。
        2.直流断路器的开断方法
        2.1振荡式开断法。
        其原理是利用交流断路器来进行电流的开断。这个过程需要强迫电流产生过零点，此处需要用到振荡电路。为了保证电弧完全熄灭，不再发生燃弧，直流回路的能量需要被吸收，这里可以用金属氧化避雷器进行吸收。振荡强迫电流过零有两种方式。一种为自能振荡产生电流振荡利用电弧的负阻特性和自身的不稳定性。另一种是他能振荡方法，需要对电容进行充电，然后电容会在电感的作用下向电弧的间隙进行放电，因此就会有振荡电流产生。
        2.2增大电弧电压。
        这种形式的直流断路器方便实现。主要应用在一些电压等级较低的场合，如地铁等区域。对于特别高的直流电压并不适用，所以额定电压要求不超过3KV。当断路器开断形成断口后，可通过磁吹方式把电弧引进栅片，通过拉长电弧来对电弧电压提高。各个小电弧会产生多对电极，没段电弧都有接近电极的电压，通过这种方法增大了电弧的电压。这应用了电弧的电压的的升高，可以使直流断路器的开断性能提升。
        3高压直流断路器试验技术研究
        3.1线圈型电磁斥力机构的工作原理
        通过预充电的储能电容向固定线圈和运动线圈放电，两个线圈中流过大小相同方向相反的脉冲电流，并在线圈周围产生交变磁场。线圈间的磁场相互作用产生电磁斥力，从而使运动线圈带动驱动杆和灭弧室触头高速运动，实现开关的快速合分闸操作。
        3.2磁感应电流换向驱动电路
        制造电流过零点的关键在于向主开关支路中注入电流，除了采用电容电感谐振的方式，还可以采用磁感应电流换向驱动电路。

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机械开关串联副边线圈L2；Da和Db为导通方向不同的二极管；Ta和Tb为导通方向不同的晶闸管；MOV为金属氧化物避雷器。故障时闭合换相驱动电路，副边线圈通过原边线圈的耦合向机械开关支路提供反向电流来使故障电流过零。将电流换向驱动电路安装到换流支路以减少稳态运行时的损耗，并重新设计了换向驱动电路的控制开关以承受电容电压的上升，提高可靠性。采用同样的思路，不同的是利用电网向电容充电，适用于低电压等级。采用磁感应的方式导致驱动电路与负荷电路之间没有电路的连接，与依靠电容直接注入反向电流相比更具有可靠性。但这种驱动电路的使用受限于与之相连断路器的灭弧能力，根据开关S在线路具有不同电流电压上升率的情况下所能阻断的电流大小的不同，驱动电路的设计也不相同，因此该种电路的使用参数应根据实际可能的情况进行计算，必要时应设计为可以通过投切改变参数的类型。目前在高压领域应用较多的机械式断路器其辅助电路仍是过零振荡电路，但其故障电流切除时间相对较长且无法实时、灵活、快速动作导致其可靠性不高所建立的辅助电路，虽然能在微秒量级闭合形成与故障电流反向的振荡电流，使主断口开关迅速过零熄弧，但同时导致了辅助电路的复杂度和成本大大提高。
        3.3快速机械开关动态冲击试验
        目前，真空高压直流断路器能够满足我国高压直流电网的需求，没有根本上的缺陷，因此暂时没有进一步技术突破的必要。但是，可以通过不同的试验进一步提高高压直流断路器的性能，使之能够在实际应用中有着更好的表现。快速机械开关动态试验是为了验证高压直流断路器在高强度工作下的稳定性和它的使用寿命。随着时间的推移和应用次数的增加，高压直流断路器会由于电子元器件的老化和性能缩减导致寿命降低。快速机械开关动态试验，能够在很大程度上测量出高压直流断路器的实际应用寿命。此外，通过对试验结果的分析，可以进一步改进高压直流断路器，寻找更耐用的材料，采用更多的技术改进，以此不断提高其在快速机械开关动态冲击试验中的表现，提高高压直流断路器的使用寿命，对高压直流断路器的推广具有重要作用。因为高压电网的特殊地理位置，导致高压直流断路器的装卸存在很多障碍。如果能够延长高压直流断路器的使用寿命，降低高压直流断路器的更换频率和维修频率，对于一些高原、山区等地区的电力普及稳定供应帮助巨大。
        4.直流断路器未来的发展
        直流断路器还有许多问题需要解决，比如虽然它运用了交流断路器的技术，但直流断路器与交流断路器仍然存在着明显的差异。需要解决的问题有以下的几个方面。完善高压直流输电系统的的规范化以及标准化。由于半导体具有非常小的导通损耗，所以应可以采用纯净的半导体开关器件。加强对中高压故障限流器的研究。应该研发动作更迅速地隔离开关，并且这些开关应具有更低的损耗并且还要有足够的耐压能力。还要对元件的尺寸进行缩小，以减小对直流电流的开断时间，还可以降低设备的造价。优化直流断路器的尺寸，包括变阻器，电容器，电抗器等元件的尺寸。
        随着有所不同。需要对环保，安全以及经济等因素综合考虑，选择更加科学经济的方式。人们对直流网络拓扑结构研究的加深，对电力设备元器件技术的强化，以及对高压断路器的创新。在不远的将来，最终将呈现出智能的，全新的输电和配电系统。功能的要求决定技术的发展。根据高压直流输电电网的拓扑结构的区别，接线方式的要求也。
        结语
        高压直流电网相对于传统交流电网具有显著优势，能够实现多能源供电、多落点受电，是一种非常灵活的输电方式，同时配合现有的电子信息技术，能够在未来城市智能电网工程中发挥巨大的优势。高压直流断路器作为解决高压直流输电常见故障最有效、最直接的方式，必定有着巨大的发展前景。此外，相对于国外的技术而言，我国的直流断路器还有一定的改善空间。
        参考文献：
        [1]智能直流配电网研究综述[J].宋强，赵彪，刘文华，曾嵘.中国电机工程学报.2018（25）
        [2]柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案[J].魏晓光，高冲，罗湘，周万迪，吴亚楠.电力系统自动化.2017（15）