探究高壓直流斷路器開斷試驗方法

馬捷　馬雅麗　關(guān)睿

【摘? 要】近年來社會用電需求的不斷增大，電力的使用也更加廣泛，在使用電力的過程中，使用的電力種類也各種各樣。在所有種類電力使用過程中，以高壓電的使用風(fēng)險最大。因此在進行高壓電力進行使用之前需要對高壓電斷路器進行開斷試驗，確保斷路器的正常運行，保障高壓電使用的安全性。本文就高壓直流斷路器開斷試驗方法展開探討。

【關(guān)鍵詞】高壓直流斷路器;開斷試驗;技術(shù)試驗方法

1高壓直流斷路器的開斷原理

（1）直流電弧。電弧作為一種特殊的氣體導(dǎo)電現(xiàn)象，不僅在雷電條件下存在，而且也普遍出現(xiàn)在斷路器開斷過程中。直流電弧是在直流斷路器斷開直流回路的過程中產(chǎn)生的（圖1），為了研究直流斷路器的開斷功能，必須對電弧特性有一定的了解。

圖1中，電源E、電阻R、電感L和斷路器CB共同構(gòu)成產(chǎn)生電弧的直流電路，假設(shè)電路在CB未斷開之前時回路穩(wěn)定，電流為I;當斷開CB時，產(chǎn)生電弧，回路電流為i，電弧電壓為u，則電路方程為：

假設(shè)電弧在經(jīng)過燃弧時間tm之后熄滅，電弧能量A和系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓將是影響斷路器熄弧的重要條件。由式（1）可得燃弧時間：

由式（2）可知，回路中的電流和電感越大，電弧就越不容易熄滅，持續(xù)的時間也就越長;而電弧電壓越大越有利于熄滅電弧。因此，提高電弧電壓可以提升直流斷路器的開斷性能。電弧能量A在一定程度上決定了帶電離子的游離程度，也是研究直流斷路器開斷性能的一個切入點，由圖1可得電弧能量A的計算式為：

由式（3）可知，電弧能量由兩部分組成：一部分是CB斷開之后，電弧未熄滅之前，在tm時間內(nèi)由電源供給的能量;另外一部分是電感在此之前儲存的能量，這些能量要在直流斷路器斷開電路的過程中釋放，增加了直流斷路器的負擔(dān)。斷路器斷開回路的過程實際就是使電流變零的過程，因而燃弧時間tm越小越好。但是tm太小也會帶來電感釋放能量過大的問題，產(chǎn)生的自感電勢疊加于電源電動勢將會引起過電壓，當設(shè)備絕緣性能不好時可能會發(fā)生事故。其中，自感電勢的計算公式如下：

從式（4）可以看出，電感越大，電流下降越快，過電壓也越大。在實際斷路器設(shè)計過程中，需要綜合考慮燃弧時間、電感和其他轉(zhuǎn)移電流元件參數(shù)的大小。（2）直流斷路器開斷方法。熄滅直流電弧是直流斷路器的唯一目標，因為只有這樣才能斷開直流回路。筆者根據(jù)直流電弧特性提出了4種直流斷路器的開斷方法，即增大電弧電壓、接入電阻、疊加振蕩電流和電流轉(zhuǎn)移，這些方法不僅涉及到斷路器內(nèi)部滅弧室的構(gòu)造，而且也在其外部創(chuàng)造了良好的滅弧條件。

2高壓直流斷路器開斷試驗方法

2.1采用短路發(fā)電機試驗法進行試驗

在進行電氣設(shè)備的高壓試驗工作之前，應(yīng)事先做好充分準備，只有做好充分準備，事先預(yù)料到可能發(fā)生的情況，在出現(xiàn)突發(fā)問題時，才能夠確保對問題進行有序的處理，盡量避免和減少損失，保障工作人員的生命安全。在進行準備工作時，首先要確保進行試驗的儀器合格，能夠滿足試驗的需求。在安全的電壓環(huán)境下對儀器進行試驗，觀察儀器的工作狀態(tài)，能夠在保證工作人員的生命安全的條件下，對儀器進行檢測，出現(xiàn)問題的儀器因及時進行維修或進行更換，避免在日后工作中使用損壞的儀器，造成不必要的損失。在進行試驗的過程中，對各個儀器進行檢驗的標準應(yīng)根據(jù)其重要程度來制定，要在確保高壓電力系統(tǒng)安全性的同時，盡可能減少進行試驗的難度以及工作壓力。完成高壓試驗的準備工作之后，便可以開始進行高壓直流斷路器的試驗工作，高壓試驗工作分為許多方面的試驗，在進行試驗時首先應(yīng)對電氣設(shè)備進行較為重要的耐壓試驗，耐壓是儀器質(zhì)量較為重要的一個判斷標準，如果高壓直流斷路器的耐壓程度不足，便無法在電壓較高的電路中充分發(fā)揮作用。確保高壓直流斷路器能夠滿足基礎(chǔ)的工作需求之后，便需要進行實踐操作對其真實的運行情況進行試驗。在進行試驗時可以采用短路發(fā)電機法進行試驗，在利用短路發(fā)電機進行試驗的過程中，能夠有效避免高壓直流電幾乎沒有動態(tài)變化的特點，在進行試驗的過程中采用的是低壓的交流電。采用低壓交流電進行試驗，是對電路進行檢驗最為有效的方法。采用這種方法，需要有一個低壓交流電發(fā)電機，在進行運行的過程中，電壓較低，相對而言，試驗的安全性便會較高。在進行試驗的過程中，需要用到電磁感應(yīng)的原理，在試驗的過程中，在含有電源的部分，設(shè)置一個滑動變阻器，以及開關(guān)，然后閉合開關(guān)調(diào)節(jié)滑動變阻器，電路中的電流會根據(jù)滑動變阻器的阻值發(fā)生變化，而另一部分感應(yīng)線圈中，含有高壓直流斷路器，該線圈中的電流來自與電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流。當原線圈的電流發(fā)生變化時，該線圈也會發(fā)生變化。當原線圈中阻值達到最小時，高壓直流斷路器所在的線圈中，電流大小會迅速上升，進而通過觀察高壓直流斷路器的工作情況，便能夠了解斷路器的工作情況。

2.2合成試驗法

針對直接試驗存在對電源的容量要求高，造價昂貴等問題，提出了等價性且經(jīng)濟性較好的合成試驗法，合成試驗法的原理見圖2，其中電抗器L1、電容器C1以及觸發(fā)間隙GP1組成電流源回路，為斷路器提供模擬短路故障電流;電抗器L0、電容器C0以及觸發(fā)間隙GP2組成電壓源回路，為直流斷路器提供電流過零后的恢復(fù)電壓。試驗時，首先閉合AB1，觸發(fā)導(dǎo)通觸發(fā)間隙GP1，預(yù)充電電容C1與電感L1振蕩產(chǎn)生低頻交流電流，模擬短路故障。在電流上升過程中，直流斷路器接收到分閘命令，開始分閘，在電流到達前1/4峰值處完成電流開斷。電流開斷前提前一定時間觸發(fā)導(dǎo)通電壓源回路GP2，振蕩產(chǎn)生恢復(fù)電壓，保證在電流過零時立刻施加恢復(fù)電壓。合成試驗法將短路電流與恢復(fù)電壓分為兩個回路來提供，使得試驗更加經(jīng)濟，并且回路中的參數(shù)易于調(diào)節(jié)，可以滿足不同電壓等級的需求。但是對于機械式的高壓直流斷路器采用合成試驗法時，由于換流回路中電容的作用，會使機械開關(guān)兩端的恢復(fù)電壓上升率比實際直流開斷情況中恢復(fù)電壓上升率要低，短路故障電流更易開斷。

結(jié)語

現(xiàn)階段，比較可靠的試驗方法為短路發(fā)電機直接試驗法以及合成試驗法。短路發(fā)電機直接試驗法的等效性較高，開斷后恢復(fù)電壓幅值與上升率更符合實際系統(tǒng)開斷情況。但是其試驗平臺造價昂貴，只有少數(shù)實驗室有條件進行相關(guān)試驗。而合成試驗法雖然開斷后恢復(fù)電壓上升率較低，但是其經(jīng)濟性較高，更適合普遍推廣。因此，一種等效性更高的合成試驗開斷方法也是現(xiàn)在及以后的發(fā)展方向。

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