直流斷路器大容量試驗室的現(xiàn)狀與進(jìn)展

賀開華 彭海波

（1. 海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湘潭 411101；2. 中船重工集團(tuán)公司第712研究所，武漢 430064）

1 引言

目前，直流斷路器主要用于直流牽引系統(tǒng)和直流輸電系統(tǒng)，軌道交通系統(tǒng)的直流斷路器主要功能是正常情況下電流的通斷和故障電流時的保護(hù)，電壓等級一般為DC750～3000 V。直流輸電系統(tǒng)的直流斷路器主要進(jìn)行額定電流的開斷，電壓等級一般為20 ～500 kV。

直流斷路器的檢測和試驗主要分三大部分即絕緣試驗、大容量試驗和機(jī)械溫升試驗。相對而言，絕緣問題和機(jī)械溫升問題都可以在設(shè)計中通過經(jīng)驗公式得以計算分析，而斷路器的開斷能力，目前還主要通過大容量試驗來驗證確定，因而大容量試驗室的設(shè)備和試驗技術(shù)尤為重要。

軌道交通系統(tǒng)的直流斷路器和高壓直流輸電系統(tǒng)的直流斷路器從原理上有所不同，針對不同斷路器的選取適當(dāng)?shù)脑囼灧椒o疑是一種比較合理的方式。

2 直流斷路器工作原理及分?jǐn)嗄芰υ囼灧椒?/h2>

2.1 直流斷路器工作原理

針對軌道交通系統(tǒng)的直流斷路器，一般主要為空氣斷路器[1]，其工作原理如圖1所示。

圖1 直流空氣斷路器原理圖

通過金屬柵片切割電弧將長弧變?yōu)槎鄠€短弧，利用短弧的近極壓降提高電弧電壓熄滅電弧，進(jìn)而分?jǐn)嚯娏鳌?/p>

針對高壓直流輸電系統(tǒng)的直流斷路器，目前工程成熟的直流斷路器一般為采用轉(zhuǎn)移原理的有源振蕩直流斷路器[2]，其工作原理如圖 2所示。通過預(yù)先充有和系統(tǒng)反向電壓的電容C向斷路器CB注入反向電流形成零點。

圖2 一次轉(zhuǎn)移原理限流器原理圖

2.2 直流斷路器開斷能力試驗方法

針對直流空氣斷路器，其開斷能力試驗只能通過短路發(fā)電機(jī)或直接試驗完成，試驗線路圖如圖3所示。

圖中的短路發(fā)電機(jī)G亦可為交流電網(wǎng)。

針對轉(zhuǎn)移原理的高壓直流斷路器，如果采用短路發(fā)電機(jī)或直接試驗完成從經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)實性均不可行。采用合成回路是一種比較合理可行的方式[3,4]。圖4為試驗線路。其中左邊為電流源，右邊為電壓源。圖中左邊的電流源的發(fā)電機(jī)即可為交流電網(wǎng)。工作過程如圖5所示。

圖3 直流空氣斷路器試驗線路圖

工作過程如下：

（1）AB1和TB同時打開，產(chǎn)生電弧電壓；

（2）當(dāng)TB的燃弧時間等于預(yù)期值是，火花間隙Gap引燃；

（3）AB2合閘旁路直流電流；

（4）當(dāng)電流由AB1-TB支路旁路到AB2時，AB1過零；

（5）AB1過零后，TB單獨(dú)承受電壓源注入的電流；

（6）注入TB的振蕩電流過零同時承受恢復(fù)電壓；

（7）整流器封鎖觸發(fā)信號。

圖4 高壓直流斷路器合成試驗回路

3 國內(nèi)外直流斷路器大容量試驗室的現(xiàn)狀

直流斷路器大容量實驗室是一個國家直流斷路器工業(yè)研究水平能力的集中體現(xiàn)。國外行業(yè)領(lǐng)先的電氣公司均建有自己的大容量實驗室。除此之外還有一些獨(dú)立的大容量實驗室等。這些實驗室均根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，持續(xù)不斷的進(jìn)行擴(kuò)容和升級，以期滿足發(fā)展的需要和為新產(chǎn)品開發(fā)和新技術(shù)應(yīng)用提供支撐。

圖5 合成回路工作時序

大容量實驗室是斷路器產(chǎn)品開發(fā)研制的重要工具，特別是斷路器的開斷能力，主要依賴試驗來確定。

對于一款新型斷路器的開發(fā)，除了應(yīng)力方面的數(shù)值計算，以及磁場強(qiáng)度和電場強(qiáng)度的計算以外，斷路器開斷能力的研究基本上仍處于反復(fù)試驗的水平上。對于一款新型斷路器分?jǐn)嗄芰Φ拇_定更多是通過“試—湊”的方式完成。主要是開關(guān)熄弧過程涉及理論面廣、內(nèi)容龐雜、相關(guān)物理領(lǐng)域的內(nèi)容人們還沒有完全掌握。使得分?jǐn)嗄芰Φ臄?shù)值分析和仿真計算非常困難，目前的仿真工作只是定性的增加人們對相關(guān)理論現(xiàn)象的認(rèn)識，并為尋找相應(yīng)規(guī)律的試驗提供解釋。試驗研究是斷路器產(chǎn)品，特別是新型斷路器研制的必須手段。

世界各國直流斷路器大容量試驗室的試驗?zāi)芰Ψ謩e如表1和表2所示。

表1 低壓直流斷路器大容量試驗室

法國 Ferraz Shawmut短路發(fā)電機(jī)1250 4500 140 4荷蘭 KEMA 短路發(fā)電機(jī) 1600 260捷克 ZKU 短路發(fā)電機(jī)2000 4000 80 40

從表1可知，除意大利的CESI外，其它國家均為短路發(fā)電機(jī)。從表2可知，針對高壓直流斷路器，均采用合成回路。實際上，世界各國的直流大容量試驗室和各國的直流斷路器研究水平息息相關(guān)，世界先進(jìn)水平的直流斷路基本上均出自于具有高水平試驗?zāi)芰Φ膰摇?/p>

表2 高壓直流斷路器大容量試驗室

4 結(jié)論

大容量實驗室是推動斷路器專業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)平臺，是直流斷路器產(chǎn)品開發(fā)研制的重要工具，是驗證直流斷路器開斷能力的唯一和必備手段。大容量試驗室對促進(jìn)和推動斷路器的研究水平的提高有重要意義。

[1] 張冠生主編. 電器理論基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1980.

[2] Dag Andersson and Anders Henriksson. Passive and active DC breakers in the three gorges changzhou HVDC project. proceeding of 2001 international conference on power systems (ICPS2001), pp.391-395.

[3] Baoliang Sheng. A synthetic test circuit for current switching tests of HVDC circuit breakers, IEEE PES 2008 T&D Chicago Meeting, Apr. 21 - 24.

[4] 王永榮, 孫廣生, 嚴(yán)萍, 馮榮瓊. 高壓直流開斷的合成試驗回路的等價性及其設(shè)計. 電工電能新技術(shù)[J],1990, (3): 8-15.