CN106526473B - 一种机械式高压直流断路器开断等效试验回路及方法 - Google Patents

一种机械式高压直流断路器开断等效试验回路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械式高压直流断路器开断等效试验回路及方法，开断等效试验回路包括：电流源、辅助回路、调频回路和电压源；辅助回路的一端与电流源连接，辅助回路的另一端与机械式高压直流断路器中机械开关连接，调频回路与机械开关并联连接，电压源与调频回路并联连接。本发明中，由于并联电容C的加入，大大降低机械开关电流过零后换流回路的等效电容值。由于机械开关电流过零熄弧后，电压源通过辅助回路中的并联电容C与机械式高压直流断路器中的换流回路以及调频回路振荡，因此降低换流回路的等效电容值可以提高振荡频率，进而可以有效提高恢复电压上升率。

Description

一种机械式高压直流断路器开断等效试验回路及方法
技术领域
本发明属于机械式高压直流断路器试验领域，更具体地，涉及一种机械式高压直流断路器开断等效试验回路及方法。
背景技术
近年来，随着柔性直流输电技术的发展以及大功率电力电子技术的进步，高压直流输电以其独特的优势得到了重视和发展。高压直流断路器的研制成为建立与发展多端直流电网的主要瓶颈，因此近年来国内外越来越重视对高压直流断路器的研究。
根据高压直流断路器关键开断器件的不同，可将其分为三类：机械式直流断路器、全固态式直流断路器、机械开关与固态开关相结合的混合式直流断路器。
目前国内外无成熟的直流断路器试验标准，也没有高压直流断路器直接试验回路，现有的试验方案大多采用发电机电流源或LC振荡电流源来模拟直流短路故障。由于机械式直流断路器原理特点，其采用人工过零原理，换流回路参数对机械式直流断路器的试验结果影响较大。采用传统的交流合成回路对直流断路器进行试验时，存在实际电流开断过程电压无法等效的问题，即电流过零后恢复电压上升率达不到实际直流开断过程中的恢复电压上升率大小，因为换流回路的大电容限制了恢复电压的快速上升，采用传统合成回路试验方法对直流断路器进行试验等效性不足。因此，研究一种能够在开断过程中对电流和电压变化过程均等效模拟的机械式高压直流断路器试验回路具有重要的现实意义和应用价值。
目前已有的机械式高压直流断路器开断试验回路主要有以下几种：(1)交流发电机电流源试验回路；(2)传统合成回路试验回路。
发明内容
针对现有试验回路对机械式直流断路器试验的不足，本发明提出了一种机械式高压直流断路器开断等效试验回路及方法，其目的在于降低机械开关支路电流过零后换流回路的等效电容值，提高恢复电压上升率。
本发明提供了一种机械式高压直流断路器开断等效试验回路，包括：电流源、辅助回路、调频回路和电压源；所述辅助回路的一端与所述电流源连接，所述辅助回路的另一端与机械式高压直流断路器中机械开关连接，所述调频回路与所述机械开关并联连接，所述电压源与所述调频回路并联连接；所述辅助回路用于在机械式高压直流断路器中机械开关电流过零后降低换流回路的等效电容值，增大恢复电压上升率且不改变机械开关电流过零前换流回路参数；所述调频回路用于调节机械式高压直流断路器中机械开关电流过零后机械开关两端恢复电压的频率和幅值。
更进一步地，辅助回路包括：操作开关IB和电容C，所述电容C的一端作为所述辅助回路的一端，所述电容C的另一端作为所述辅助回路的另一端，所述操作开关IB与所述电容C并联连接。
更进一步地，操作开关IB为可燃弧且可在电流过零时熄弧的开关。
更进一步地，电流源包括依次串联连接的预充电电容Ci、电感Li、合闸开关CB和辅助断路器AB。
更进一步地，调频回路包括：依次串联连接的调频电容C0和调频电阻R0。
更进一步地，电压源包括：依次串联连接的触发开关TR、电感Lu和预充电电容Cu。
更进一步地，工作时，合闸开关CB闭合，充电电容Ci和电感Li振荡产生低频交流电流，取低频电流前1/4周波模拟直流短路故障电流；在低频电流上升过程中，且当到达预先设定的时序时间后，操作开关IB首先分闸，直流断路器试品机械开关TB经过预定延时后分闸，保持燃弧状态，在低频电流到达峰值前试品机械开关TB达到有效开距；当操作开关IB和试品机械开关TB达到有效开距后，直流断路器换流回路触发开关K、电压源触发开关TR接收到合闸信号同时导通；预充电电容Cr和电感Lr振荡产生反向高频电流Ir，预充电电容Cu和电感Lu振荡产生电流Iu；电流Iu流过试品机械开关TB，反向高频电流Ir流过试品机械开关TB和操作开关IB；当试品机械开关TB中流过的正向电流大于操作开关IB中流过的正向电流，在相同反向高频电流Ir情况下，操作开关IB首先熄弧断开，此时Ir流过并联电容C，保证试品机械开关TB中仍然能够产生过零点；在试品机械开关TB电流过零熄弧后，电压源与调频回路以及通过并联电容C与换流回路中Lr、Cr振荡，产生恢复电压并加载于试品中机械开关的两端。
本发明还提供了一种基于上述的机械式高压直流断路器开断等效试验回路的方法，包括下述步骤：
(1)合闸开关CB闭合，预充电电容Ci和电感Li振荡产生低频交流电流，取低频电流前1/4周波模拟直流短路故障电流；在低频电流到达峰值前，辅助断路器AB接收到分闸信号，用于保护电流源。
(2)在低频电流上升过程中，当到达预先设定的时序时间后，操作开关IB首先分闸，直流断路器试品机械开关TB经过预定延时后分闸，保持燃弧状态，在低频电流到达峰值前试品机械开关TB达到有效开距；
(3)当操作开关IB和试品机械开关TB达到有效开距后，直流断路器换流回路触发开关K、电压源触发开关TR接收到合闸信号同时导通；使得预充电电容Cr和电感Lr振荡产生反向高频电流Ir，预充电电容Cu和电感Lu振荡产生小电流Iu；所述电流Iu用于流过试品机械开关TB，所述反向高频电流Ir用于流过试品机械开关TB和操作开关IB；
(4)当试品机械开关TB中流过的正向电流大于操作开关IB中流过的正向电流时，在相同反向高频电流Ir情况下，操作开关IB首先熄弧断开，此时Ir流过并联电容C，保证试品机械开关TB中仍然能够产生过零点；
(5)在试品机械开关TB电流过零熄弧后，电压源与调频回路以及通过并联电容C与换流回路中Lr、Cr振荡，产生恢复电压，加于试品机械开关两端。
更进一步地，在步骤(1)之前还包括：合闸开关CB处于断开状态，辅助断路器AB处于闭合状态，触发开关TR处于断开状态，操作开关IB处于闭合状态，试品机械开关TB支路无电流流过。
本发明中，在操作开关IB断开前，电容C被IB短路，因此不影响换流回路产生的反向高频电流幅值与频率；在操作开关IB及试品机械开关TB断开后，电容C与换流回路表现出串联关系，由于并联电容C相比于换流回路电容Cr极小，二者串联会大大降低换流回路的等效电容值，可以有效提高恢复电压上升率。
本发明具有以下优点：
(1)由于并联电容C的加入，大大降低机械开关电流过零后换流回路的等效电容值。由于机械开关电流过零熄弧后，电压源通过辅助回路中的并联电容C与机械式高压直流断路器中的换流回路以及调频回路振荡，因此降低换流回路的等效电容值可以提高振荡频率，进而可以有效提高恢复电压上升率。
(2)操作开关IB和试品机械开关TB电流过零熄弧前，并联电容C被操作开关IB短路，不会影响换流回路产生电流频率和幅值，同时能够在操作开关熄弧断开后为反向电流提供续流通路，保证试品机械开关TB电流能够成功过零。
(3)将直流断路器机械开关和换流回路分开试验，机械开关进行电流开断试验，换流回路进行静态耐压试验。
附图说明
图1为本发明提供的机械式高压直流断路器开断等效试验回路的原理框图。
图2为本发明提供的机械式高压直流断路器开断等效试验回路电路图。
图3为具体试验操作时序图。
其中，1为电流源，2为试品—机械式高压直流断路器，3为辅助回路，4为调频回路，5为电压源；Ci为电流源电容，Li为电流源电感，CB为合闸开关，AB为辅助断路器，C为并联电容器，IB为操作开关，Cu为电压源电容，Lu为电压源电感，TR为电压源触发开关，C0为调频电容，R0为调频电阻。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种机械式高压直流断路器开断等效试验回路，包括：电流源、电压源、调频回路和辅助回路(操作开关并联电容器)；辅助回路串接在机械式高压直流断路器机械开关支路中。电压源、调频回路均并联于机械断口两端。
其中，电流源包括：预充电电容Ci、电感Li、合闸开关CB和辅助断路器AB，其中预充电电容Ci、电感Li、合闸开关CB及辅助断路器AB依次串联。电压源包括：预充电电容Cu、电感Lu和触发开关TR，其中预充电电容Cu、电感Lu及触发开关TR依次串联。调频回路包括：调频电容C0、调频电阻R0，其中调频电容C0及调频电阻R0串联。辅助回路包括：操作开关IB和电容C，其中操作开关IB和电容C并联。辅助回路与机械式高压直流断路器机械开关串联，直流断路器串联于电流源中，机械式高压直流断路器机械开关串接于电压源，调频回路并联于机械开关两端。
在本发明实施例中，电流源主要功能是由电流源预充电电容Ci和电感Li振荡产生低频交流电流模拟直流短路故障；电压源的主要功能是由电压源预充电电容Cu和电感Lu振荡为机械开关提供电流过零熄弧后的恢复电压；调频回路的主要功能是通过改变R0和C0的值来调节恢复电压的峰值和频率；辅助回路的主要功能是降低机械开关电流过零后换流回路的等效电容值，提高恢复电压上升率。
在本发明实施例中，辅助回路中操作开关IB采用可燃弧并且可在电流过零时熄弧的开关，其主要作用是机械开关TB电流过零前将并联电容C短路，避免对机械式高压直流断路器的换流回路参数造成影响。辅助回路中并联电容C采用容值小、电压等级高的电容器，具体参数可以根据不同试验电压等级确定，其主要作用是操作开关IB电流过零熄弧后，电容C串联接入换流回路，为反向高频电流提供短暂的续流通路，在机械开关TB电流过零熄弧后，大幅减小换流回路等效电容值，提高恢复电压上升率。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的机械式高压直流断路器开断等效试验回路，现详述其工作过程如下：
试验前合闸开关CB处于断开状态，辅助断路器AB处于闭合状态，触发开关TR处于断开状态，操作开关IB处于闭合状态，试品机械开关TB支路无电流流过。
开始试验后。首先合闸开关CB闭合，电流源预充电电容Ci和电感Li振荡产生低频交流电流，取低频电流前1/4周波模拟直流短路故障电流。在低频电流到达峰值前，辅助断路器AB接收到分闸信号，用于保护电流源。
在低频电流上升过程中，到达预先设定的时序时间，操作开关IB首先分闸，直流断路器试品机械开关TB经过预定延时后分闸，保持燃弧状态，在低频电流到达峰值前试品机械开关TB达到有效开距。
操作开关IB和试品机械开关TB达到有效开距后，直流断路器换流回路触发开关K、电压源触发开关TR接收到合闸信号同时导通。换流回路预充电电容Cr和电感Lr振荡产生反向高频电流Ir，电压源预充电电容Cu和电感Lu振荡产生小电流Iu。电压源电流Iu流过试品机械开关TB，反向高频电流Ir流过试品机械开关TB和操作开关IB。
试品机械开关TB中流过的正向电流大于操作开关IB中流过的正向电流，在相同反向高频电流Ir情况下，操作开关IB首先熄弧断开，此时Ir流过并联电容C，保证试品机械开关TB中仍然能够产生过零点。在试品机械开关TB电流过零熄弧后，电压源与调频回路以及通过并联电容C与换流回路Lr、Cr振荡，产生恢复电压，加于试品机械开关两端。
在操作开关IB断开前，电容C被操作开关IB短路，因此不影响换流回路产生的反向高频电流幅值与频率；在操作开关IB及试品机械开关TB断开后，电容C与换流回路表现出串联关系，由于并联电容C相比于换流回路电容Cr极小，二者串联会大大降低换流回路的等效电容值，可以有效提高恢复电压上升率。
由于换流回路中各元件均为静态元件，因此可以对换流回路进行静态耐压试验，结合直流断路器机械开关的电流开断能力试验，即可等效直流断路器的整体试验效果。
本发明涉及一种机械式高压直流断路器开断等效试验回路及方法，能够通过操作开关并联电容C实现机械开关电流过零后提高恢复电压的上升率，能够更加有效等效直流断路器实际直流开断过程中的电流、电压变化过程。
本发明提供的一种机械式高压直流断路器开断等效试验回路，如图1和图2所示，包括电流源1、电压源5、调频回路4以及辅助回路3；辅助回路3串接在机械开关支路中。电压源5、调频回路4均并联与机械断口两端。
电流源1通过预充电电容Ci、电感Li振荡产生低频电流，用于模拟直流短路故障电流。电压源5由预充电电容Cu、Lu振荡产生恢复电压，在机械开关直流电流过零熄弧后施加于机械断口两端。调频回路4通过改变调频电阻R0和调频电容C0的大小，调整恢复电压峰值及上升率。辅助回路3包括：操作开关和与其并联连接的电容C：试品机械开关电流过零前，操作开关燃弧时将电容C短路，不影响换流回路频率、电流幅值等参数；试品机械开关电流过零熄弧后，操作开关断开，电容C接入回路，降低换流回路等效电容值，有效提高恢复电压上升率。
具体试验操作步骤如图3所示，现结合图3详述如下：
试验前合闸开关CB处于断开状态，辅助断路器AB处于闭合状态，触发开关TR处于断开状态，操作开关IB处于闭合状态，试品机械开关TB支路无电流流过。
试验时首先对电流源电容Ci和电压源电容Cu以及试品机械式高压直流断路器中的换流回路电容Cr进行预充电，闭合电流源合闸开关CB，Ci、Li振荡产生低频交流电流。经过一定时间t1，辅助断路器AB打开(t1由AB分闸速度确定)，用于保护电流源。经过时间t2，辅助回路操作开关IB首先分闸(t2由IB分闸速度确定，目的是电流过零时刻IB能够承购足够大电压而不被击穿)。在到达预定的延时之后，机械式高压直流断路器的机械开关TB开始分闸。在电流源电流达到峰值前机械开关TB打开到额定开距，此时换流回路触发开关K及电压源触发开关TR同时触发导通。反向高频电流流过机械开关TB和操作开关IB，由于电压源引入的小电流流过机械开关，造成操作开关IB电流过零时刻比机械开关电流过零时刻稍有提前。操作开关IB电流过零熄弧后，反向电流给辅助回路并联电容C充电，提供反向电流续流通道，使得机械开关TB电流能够正常过零，由于操作开关IB与机械开关TB电流过零时间相差极小，因此可以忽略。机械开关TB电流过零熄弧后，电压源与调频回路以及通过并联电容C与换流回路振荡，由于并联电容C容值小且与换流回路串联，可以大幅降低换流回路等效电容值，有效提高机械开关TB电流过零后的恢复电压上升率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于机械式高压直流断路器开断等效试验回路的方法，其特征在于，所述机械式高压直流断路器开断等效试验回路包括：电流源(1)、辅助回路(3)、调频回路(4)和电压源(5)；
所述辅助回路(3)的一端与所述电流源(1)连接，所述辅助回路(3)的另一端与机械式高压直流断路器中机械开关TB连接，所述调频回路(4)与所述机械开关TB并联连接，所述电压源(5)与所述调频回路(4)并联连接；所述辅助回路(3)用于在机械式高压直流断路器中机械开关TB电流过零后降低换流回路的等效电容值，增大恢复电压上升率且不改变机械开关TB电流过零前换流回路参数；所述调频回路(4)用于调节机械式高压直流断路器中机械开关TB电流过零后机械开关TB两端恢复电压的频率和幅值；
其中，所述电流源(1)包括依次串联连接的预充电电容Ci、电感Li、合闸开关CB和辅助断路器AB；所述辅助回路(3)包括：操作开关IB和电容C，所述电容C的一端作为所述辅助回路(3)的一端，所述电容C的另一端作为所述辅助回路(3)的另一端，所述操作开关IB与所述电容C并联连接；所述调频回路(4)包括：依次串联连接的调频电容C0和调频电阻R0；所述电压源(5)包括：依次串联连接的触发开关TR、电感Lu和预充电电容Cu；所述换流回路包括依次串联的电感Lr、触发开关K以及预充电电容Cr，所述电感Lr的一端与触发开关K连接，所述电感Lr的另一端与辅助断路器AB连接，所述预充电电容Cr的一端与触发开关K，所述预充电电容Cr的另一端与操作开关IB连接；
所述方法包括下述步骤：
(S1)合闸开关CB闭合，预充电电容Ci和电感Li振荡产生低频交流电流，取低频电流前1/4周波模拟直流短路故障电流；
(S2)在低频电流上升过程中，当到达预先设定的时序时间后，操作开关IB首先分闸，机械开关TB经过预定延时后分闸，保持燃弧状态，在低频电流到达峰值前机械开关TB达到有效开距；
(S3)当操作开关IB和机械开关TB达到有效开距后，直流断路器换流回路触发开关K、电压源触发开关TR接收到合闸信号同时导通；使得预充电电容Cr和电感Lr振荡产生反向高频电流Ir，预充电电容Cu和电感Lu振荡产生小电流Iu；所述电流Iu用于流过机械开关TB，所述反向高频电流Ir用于流过机械开关TB和操作开关IB；
(S4)当机械开关TB中流过的正向电流大于操作开关IB中流过的正向电流时，在相同反向高频电流Ir情况下，操作开关IB首先熄弧断开，此时Ir流过并联电容C，保证试械开关TB中仍然能够产生过零点；
(S5)在机械开关TB电流过零熄弧后，电压源与调频回路以及通过并联电容C与换流回路中Lr、Cr振荡，产生恢复电压，加于试品机械开关两端。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操作开关IB为可燃弧且可在电流过零时熄弧的开关。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(S1)之前还包括：合闸开关CB处于断开状态，辅助断路器AB处于闭合状态，触发开关TR处于断开状态，操作开关IB处于闭合状态，机械开关TB支路无电流流过。
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