高壓直流斷路器試驗技術研究分析

王獻才，付二順，趙新陽

（河南省高壓電器研究所有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引 言

高壓直流電相對于傳統的交流電具有很大優勢。從能源角度講，高壓直流電更適應如今世界能源的走向及發展趨勢，尤其對于以煤炭發電為主要發電方式的我國具有極為重要的意義。然而，高壓直流電存在諸多問題，其中對于高壓直流電推廣最嚴重的阻礙是故障電流擴散，而高壓直流斷路器是目前解決此故障最有效和成熟的方式。

1 高壓直流斷路器現狀

1.1 高壓直流斷路器的技術原理

高壓直流斷路器是為了解決直流電流故障擴散應運而生的產物。高壓直流斷路器的主要作用是對高壓電網的開斷，尤其是在高壓電網出現故障時及時斷電。它主要根據交流斷路器經過相應的改造而產生，類似于我國目前最常應用的交流斷路器空氣開關。高壓直流斷路器主要分為3 個類型——機械式、拓撲式以及混合式。隨著高壓直流技術的發展，對其的研究和改善越來越受到相關領域專家的重視。高壓直流斷路器主要應用于高壓直流輸電系統，依據的主要原理是迭加振蕩電流法。目前，研制比較成功的斷路器真空斷路器、六氟化硫斷路器以及產氣斷路器等，其中產氣斷路器屬于實驗內的產物，目前并不適用于大規模推廣。真空斷路器和六氟化硫斷路器是目前應用最廣泛、技術最成熟的斷路器，基本已經壟斷我國的斷路器市場[1]。

1.2 高壓直流斷路器存在的問題

我國的高壓直流斷路器主要基于電流增幅的相關原理進行研制。這類斷路器制作成本較低，同時具有很好的市場表現，因此受到高壓直流初級市場的喜愛。但是，由于電流幅值的增加對于開斷效果具有一定的影響，因此當面對的電流幅值較大時，它的開斷能力會受到一定影響。這個影響在實際應用中非常致命，一旦因為電流幅值大而導致斷路器沒有發揮作用，就會失去自動斷開電路最好的時機，往往造成不可估量的后果。電流幅值在實際工作中很難控制，不同的流量也會引起不同的幅值變化。如果不能解決這個問題，斷路器將很難應用于實際的高壓電網中。

1.3 當前沿用技術的改良

隨著電子技術的不斷革新，高壓直流斷路器不斷發生迭代。在高電壓、大電流的應用場合中，通常根據不同的需要將電子器件串聯以提高抗壓能力，或者將電子器件并聯以提高其分流能力，從而從根本上提高其對高電壓、大電流場合的適應能力。此外，為了解決電路幅度過大對斷路器的開斷能力產生影響，從滅弧能力、滅弧材料等方面提供了策略。首先，從研究直流電弧的特性出發，只有充分了解直流電弧的特性，才能避免其產生更大的傷害，并以此為出發點制造出滅弧能力更強、滅弧速度更快的斷路器。其次，采用包含機械開關和電力電子器件的結構，通過合理把握開斷時間來設定合適的開關順序，以使機械開關實現在極小的電流甚至零電流下開斷，從而成功解決以上問題。隨著技術的革新，純電子器件的固態拓撲斷路器的設想也被提出，目前正處于研制階段。如果研制成功，有望從根源上解決電弧問題，因為純電子器件的固態拓撲斷路器在工作過程中不會產生電弧。

2 在高壓直流斷路器組件上的技術突破

2.1 快速機械開關動態沖擊試驗

目前，真空高壓直流斷路器能夠滿足我國高壓直流電網的需求，沒有根本上的缺陷，因此暫時沒有進一步技術突破的必要。但是，可以通過不同的試驗進一步提高高壓直流斷路器的性能，使之能夠在實際應用中有著更好的表現。快速機械開關動態試驗是為了驗證高壓直流斷路器在高強度工作下的穩定性和它的使用壽命。隨著時間的推移和應用次數的增加，高壓直流斷路器會由于電子元器件的老化和性能縮減導致壽命降低。快速機械開關動態試驗，能夠在很大程度上測量出高壓直流斷路器的實際應用壽命。此外，通過對試驗結果的分析，可以進一步改進高壓直流斷路器，尋找更耐用的材料，采用更多的技術改進，以此不斷提高其在快速機械開關動態沖擊試驗中的表現，提高高壓直流斷路器的使用壽命，對高壓直流斷路器的推廣具有重要作用。因為高壓電網的特殊地理位置，導致高壓直流斷路器的裝卸存在很多障礙。如果能夠延長高壓直流斷路器的使用壽命，降低高壓直流斷路器的更換頻率和維修頻率，對于一些高原、山區等地區的電力普及穩定供應幫助巨大[2]。

2.2 主支路閥組的電流應力試驗

主支路閥組是高壓直流斷路器最重要的工作場景之一。大部分的高壓直流斷路器都會服役在高壓直流電網的主支路上，而主支路閥組的電流應力是影響高壓直流斷路器工作效果和穩定性的主要因素之一。所謂電流應力，通俗而言就是電路上的相關設備及電子元器件所能夠承受的電流量的大小。不同的電流值會產生不同的效果，除了電子元器件自身的電阻之外，電流值將會影響到電路作用于不同電子元器件的電壓值。不同的電子元器件所能承受的電壓值有所不同，如果不能對所承受的電壓值和電流值進行準確測量，將會導致斷路器的提前損毀。高壓電網的斷路器維修成本很高，經常性維修或更換顯然不能滿足正常的供給需求。

2.3 額定電流和短路電流開斷試驗

通過主支路閥組的電流應力實驗，能夠獲得一些重要的數據，有助于相關工作人員確定高壓直流斷路器的參數。這些參數的確定將會在很大程度上決定斷路器所能通過的最大電流值。但是，在日常使用過程中不能以這種會對電子元器件有損害的方式工作，而是應該使用更合理的額定電流。由此可知，關于電路的額定電流的測定非常必要。如果額定電流測試準確，將會在很大程度上保證電路的正常工作，從而減少斷路器的檢修次數。對一定規格的高壓直流斷路器進行處于極限電流值之內的不同電流的試驗，通過試驗時間、試驗強度等相關參數的對比，以及設定額定電壓等值作為參考，能夠在最大程度上推斷所適合的電流，然后將不同規格的高壓直流斷路器應用于合適的場所，以保證最大的工作效率。短路電流的開斷試驗是試驗的重要內容之一，因為高壓直流斷路器發揮作用時很大概率是在短路條件下。常見的一些自然災害如風雪雷電，都有一定概率引發電路短路。同時，由于電網的部分元器件老化、檢修不及時或者其他人為因素等都有可能導致此類事件的發生，如果電路長時間處于短路狀態，很容易引起火災，損壞重要元器件，甚至發生人觸電死亡等重大的事故災害。而高壓直流斷路器是最重要最有效的預防此類事件發生的手段，斷路器在短路狀態下的表現將會直接影響斷電的效果，因此測試斷路器在短路條件下的性能十分必要，可以以此測試高壓直流斷路器的可靠性，為后續的改進和應用提供數據支撐。

3 結 論

高壓直流電網相對于傳統交流電網具有顯著優勢，能夠實現多能源供電、多落點受電，是一種非常靈活的輸電方式，同時配合現有的電子信息技術，能夠在未來城市智能電網工程中發揮巨大的優勢。高壓直流斷路器作為解決高壓直流輸電常見故障最有效、最直接的方式，必定有著巨大的發展前景。此外，相對于國外的技術而言，我國的直流斷路器還有一定的改善空間。