CN107728048A - 一种混合型高压直流断路器试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合型高压直流断路器试验系统，包括直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置，直流电压输出装置用于提供分闸后直流断路器试品承受的直流电压，直流电流输出装置用于提供稳态运行电流，短路电流输出装置用于提供短路电流。该试验系统可以实现只利用其中一个装置就能够进行试验的试验项目，也可以实现通过多个装置的配合使用进行试验的试验项目，所以，通过三个装置的单独运行或者配合使用，该试验系统能够实现多种试验项目。因此，该试验系统能够模拟很多种直流断路器常见的运行环境，以对直流断路器进行多方位的试验，进而通过试验验证混合型高压直流断路器设计的合理性和正确性。

Description

一种混合型高压直流断路器试验系统

技术领域

本发明涉及一种混合型高压直流断路器试验系统，属于混合型高压直流断路器测试技术领域。

背景技术

直流输电技术发展已经比较成熟，但是相对于交流输电系统灵活、多样的联结方式，目前世界上已运行的直流系统绝大多数仍采用两端系统，其主要原因就是缺乏实用的高压直流断路器。随着直流输电技术的进一步发展，多端直流输电和直流输配电电网必然成为新的发展方向。而作为系统中起着控制和保护双重作用的开关电器，高压直流断路器的研制具有十分重要的意义。

目前国家电网正在规划建设的张北直流电网示范工程，近期由4个柔性直流输电换流站组成直流电网，远期规划由7个柔性直流输电换流站组成直流电网，要组成直流电网，高压直流断路器是必不可少的设备。

常见的混合型高压直流断路器拓扑结构如图1所示，其由三个支路并联组成，分别是主支路、转移支路和耗能支路，主支路由快速机械开关串联一个低压电力电子开关组成，转移支路由多级串联的高压电力电子开关组成，耗能支路由金属氧化物(MOV)组成。主支路的低压电力电子开关由单个或多个模块串联组成，模块由半导体器件及其控制电路组成，其断态电压较低，以保证正常运行时的低损耗，主支路的快速机械开关承担断开后断路器两端的电压。转移支路的高压电力电子开关由多个模块串联组成，模块由半导体器件及其控制电路组成，能够承受断路器断开后两端的电压。耗能支路由金属氧化物避雷器组成，用于在断路器分闸后吸收来自电网储能元件的能量(如电感)。

直流系统发生短路故障时，混合型直流断路器动作过程如图2-a至2-c所示，由于该动作过程属于常规技术，以下进行简单说明：

第一阶段：主支路通流阶段主支路通流，检测到短路电流故障时主支路的低压电力电子开关闭锁，同时转移支路的电力电子开关导通，主支路子模块电容充电建立暂态电压，强迫电流换相至转移支路，主支路快速机械开关接到分闸命令。

第二阶段：转移支路通流阶段，短路电流在转移支路中在数毫秒内上升至故障电流峰值，达到故障电流峰值前主支路快速机械开关完成分闸。之后闭锁转移支路电力电子开关，转移支路子模块电容充电建立电压，当电压超过避雷器启动电压时，电流换相至避雷器支路。

第三阶段：耗能(避雷器)支路通流阶段，短路电流换相至耗能支路后，避雷器残压高于系统运行电压，短路电流逐步衰减至零，实现故障分断。

混合型高压直流断路器作为电力电子技术领域新型的高端电力装备，其工作原理和运行条件均有别于传统的交流断路器以及中低压应用领域的直流断路器。因此，混合型高压直流断路器的性能决定着直流系统的正常运行，但是，目前并没有有效的混合型高压直流断路器的检测设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合型高压直流断路器试验系统，用以对混合型高压直流断路器进行测试。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种混合型高压直流断路器试验系统，包括直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置，所述直流电压输出装置用于提供分闸后直流断路器试品承受的直流电压，所述直流电流输出装置用于提供稳态运行电流，所述短路电流输出装置用于提供短路电流，所述直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置均有用于输出连接直流断路器试品的输出端口。

所述试验系统还包括一条由电抗器和二极管构成的单向导通支路，所述直流电流输出装置的输出端口和短路电流输出装置的输出端口均通过所述单向导通支路连接直流断路器试品。

所述直流电流输出装置包括整流模块，所述整流模块的交流端用于连接交流电，所述整流模块的直流端通过控制开关连接所述直流电流输出装置的输出端口，用于将生成的直流电流输出给直流断路器试品。

所述整流模块的直流端之间连接有一个旁路开关。

所述整流模块为晶闸管12脉动整流器。

所述短路电流输出装置包括直流供电模块和充电电容模块，所述直流供电模块通过充电开关供电连接所述充电电容模块，所述充电电容模块通过放电开关输出连接所述短路电流输出装置的输出端口，用于将生成的短路电流输出给直流断路器试品。

所述充电电容模块包括第一充电电容单元和第二充电电容单元，直流供电模块输出两条充电线路，分别对应连接所述第一充电电容单元和第二充电电容单元，各充电线路上均串设有充电开关，各充电电容单元通过对应的放电开关输出连接所述短路电流输出装置的输出端口；所述第一充电电容单元和第二充电电容单元均由至少一个电容器构成。

所述放电电容模块两端并联有放电支路，所述放电支路上串设有放电电阻和短路开关，在试验结束后闭合所述短路开关，将放电电容模块中的残余电量放尽。

所述直流供电模块为二极管全桥整流器。

所述直流电压输出装置包括直流电压发生器，所述直流电压发生器与所述直流电压发生器输出端口之间的直流电压输出线路上串设有限流保护电阻和控制开关。

本发明提供的混合型高压直流断路器试验系统主要涉及三部分，分别是直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置，直流电压输出装置能够提供分闸后直流断路器试品承受的直流电压，直流电流输出装置能够提供稳态运行电流，短路电流输出装置能够提供短路电流。该试验系统可以实现只利用其中一个装置就能够进行相关试验的试验项目，也可以实现通过多个装置的配合使用进行相关试验的试验项目，所以，通过上述三个装置的单独运行或者配合使用，试验系统能够实现多种试验项目，比如：主支路最大连续运行电流试验、主支路长期过负荷试验、主支路短时过负荷试验、转移支路短时电流耐受试验、额定电流分断试验、短路电流分断试验、额定电流关合试验、短路电流关合试验、最大短路电流下重合闸试验等。而且，直流断路器短路电流分断试验同时需要直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置的配合使用，首先是利用直流电流输出装置使直流断路器在额定电流下运行，然后短路电流输出装置产生的短路电流加载给直流断路器，同时直流电流输出装置结束直流电流的输出，最后通过直流电压输出装置给直流断路器试品施加一定的直流电压，以与实际运行一致，并且在试验过程中，配合着直流断路器的状态变化实现直流断路器短路电流分断试验。因此，该试验系统能够模拟很多种直流断路器常见的运行环境，以对直流断路器进行多方位的试验，检验直流断路器试品在不同运行环境中，以及不同的外加突发情况下的运行状态，根据运行状态判断直流断路器试品是否正常，并且也可以通过试验验证混合型高压直流断路器设计的合理性和正确性，能够准确反映直流断路器耐受电流和电压能力，开断电流大小和时间。另外，该试验系统结构简单，成本低，易实现各种试验项目。

附图说明

图1是混合型高压直流断路器的电路结构示意图；

图2-a至图2-c是混合型高压直流断路器的分闸过程示意图；

图3是混合型高压直流断路器试验系统的整体构成示意图；

图4是混合型高压直流断路器试验系统的一种具体的电路结构示意图；

图5是混合型高压直流断路器短路电流分断试验时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供的混合型高压直流断路器试验系统的测试对象——直流断路器试品为混合型高压直流断路器。如图3所示，混合型高压直流断路器试验系统主要包括三部分，分别是直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置，顾名思义，直流电压输出装置用于为试验提供直流电压，并且具体提供的是分闸后直流断路器试品承受的直流电压，也可以模拟直流断路器试品分闸时断路器两端产生的高压直流电压；直流电流输出装置用于为试验提供稳态运行电流；短路电流输出装置用于为试验提供短路电流，即冲击电流。并且，直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置均有输出端口，在试验时，将直流断路器试品接在上述三个装置的输出端口上，通过对直流断路器试品加载相应的直流电压、直流电流和短路电流实现直流断路器试品的试验。

直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置的结构形式并不唯一，比如：这三个装置可以是具体电路，也可以由控制器以及加载在控制器中的软件程序实现，也就是说，只要能够实现相应的功能，不管是何结构，均在本发明的保护范围之内。为了便于说明，本实施例给出这三个装置的一种具体实现手段。

如图4所示，直流电压输出装置称为电压源回路，直流电流输出装置称为电流源回路，短路电流输出装置称为冲击电流回路。由于电压源回路和直流断路器试品是高压回路，电流源回路和冲击电流回路是低压回路，为了避免高压回路中的高压信号传输给电流源回路和冲击电流回路，造成电流源回路和冲击电流回路内部器件损坏，该试验系统中还设置有一条导向导通支路，该导向导通支路上串设有电抗器L和隔离二极管阀D1，电流源回路和冲击电流回路通过该导向导通支路连接直流断路器试品，通过隔离二极管阀D1的单向导通功能，避免高压回路中的高压信号传输给电流源回路和冲击电流回路，实现将高、低压回路隔离开。这三个回路和直流断路器试品通过隔离二极管阀D1连接成完整的试验回路。

如图4所示，电压源回路包括高压直流电压发生器(可以是现有的直流电压输出设备)，在高压直流电压发生器的直流电压输出线路上串设有限流保护电阻R和控制开关(该控制开关以断路器QF为例)。高压直流发生器一端接地，另一端接限流保护电阻R的一端，限流保护电阻R的另一端接断路器QF的一端，断路器QF的另一端接直流断路器试品。

如图4所示，电流源回路包括一个整流模块，作为一个具体的实施方式，该整流模块为晶闸管12脉动整流器，该整流器的交流端连接有两个变压器T1和T2，通过该变压器连接交流电。该整流器的直流端输出连接平波电抗器Lc和控制电子开关V1，然后连接上述导向导通支路，直流电通过该导向导通支路输出给直流断路器试品。并且，该整流器的直流端之间还连接有旁路电子开关Vaux。市电经变压器T1和T2、晶闸管12脉动整流器和平波电抗器Lc之后整流成直流电，直流电流经控制电子开关V1和隔离二极管阀D1接入直流断路器试品。旁路电子开关Vaux用于在试验结束时为电流源回路提供旁路通路。

冲击电流回路包括直流供电模块和充电电容模块，直流供电模块通过充电开关供电连接充电电容模块，充电电容模块通过放电开关输出连接直流断路器试品。直流供电模块为充电电容模块进行充电，当需要为直流断路器试品提供冲击电流时，断开充电开关，打开放电开关，充电电容模块中的电量就会输出给直流断路器试品，提供较大的冲击电流。本实施例中，将单向导通支路归于冲击电流回路部分中。

如图4所示，直流供电模块为二极管全桥整流器，该整流器的交流端连接交流电。本实施例中，充电电容模块包括第一充电电容单元和第二充电电容单元，即包括2组电容器组。采用2组电容器组，同时放电可以增加冲击电流，分别放电可以进行直流断路器试品的重合闸试验，为直流断路器试品提供短路电流分闸试验以及重合闸后分闸试验，并且，采用2组电容器组能够提供高达几十千安的冲击电流。所以，通过2组电容器组能够根据试验要求灵活控制冲击电流。当然，为了进一步提升冲击电流的数值，还可以设置更多个充电电容单元。另外，每组电容器组均包括至少一个电容器，本实施例以每组电容器组只包括一个电容器为例，如图4所示，这两个电容器分别是谐振电容器Csc1和Csc2，这两个电容器分别提供短路电流和重合后短路电流。相应地，二极管全桥整流器的直流端通过限流电阻R1就需要输出两条充电线路，一条充电线路充电连接电容器Csc1，该充电线路上串设有充电隔离开关QS3，另一条充电线路充电连接电容器Csc2，该充电线路上串设有充电隔离开关QS2。并且，电容器Csc1输出连接一条放电线路，该放电线路上串设的放电开关为控制电子开关Vsu1，电容器Csc2输出连接一条放电线路，该放电线路上串设的放电开关为控制电子开关Vsu2，并且，这两条放电线路的另一端均通过隔离开关QS1连接隔离二极管阀D1，为直流断路器试品提供冲击电流。二极管全桥整流器通过限流电阻R1和充电隔离开关QS2和QS3分别给电容器Csc1和Csc2充电，电容器Csc1和Csc2充电后，通过控制电子开关Vsu1和Vsu2、隔离开关QS1和隔离二极管阀D1接入直流断路器试品，为直流断路器试品提供冲击电流。

另外，电容器Csc1的两端并联有一条放电支路，该放电支路上串设有放电电阻R2和放电隔离开关QS5，电容器Csc2的两端并联有一条放电支路，该放电支路上串设有放电电阻R3和放电隔离开关QS4。当试验结束后，电容器Csc1和Csc2通过放电隔离开关QS5和QS4、放电电阻R2和R3将残余电量放尽，因此，可以将放电隔离开关QS4和放电隔离开关QS5称为短路开关。

因此，该试验系统可以完成直流断路器试品的：主支路最大连续运行电流试验、主支路长期过负荷试验、主支路短时过负荷试验、转移支路短时电流耐受试验、额定电流分断试验、短路电流分断试验、额定电流关合试验、短路电流关合试验、最大短路电流下重合闸试验等试验项目。上述试验项目中，有的只需试验系统中的电流源回路来完成，有的只需试验系统中的冲击电流回路来完成，有的则需要电流源回路、冲击电流回路和电压源回路的配合使用来完成。

其中，直流断路器的短路电流分断试验最具有代表性，因为该试验项目需要电流源回路、冲击电流回路和电压源回路的共同配合使用才能够完成，其动作过程基本涵盖直流断路器的其他所有试验，因此，下面以故障时直流断路器的短路电流分断试验为例说明该试验系统的工作原理。

由于背景技术中已对在直流系统发生短路故障时混合型直流断路器的动作过程进行了描述，这里就不再赘述。

如图5所示，试验前，t0时刻前，直流断路器试品的主支路快速机械开关闭合，低压电力电子开关触发导通，电压源回路的断路器QF断开，冲击电流回路的隔离开关QS1合上、QS2-QS5断开，冲击电流回路的电子开关Vsu1和Vsu2关断，电流源回路的电子开关Vaux关断，而电子开关V1触发导通，控制12脉动整流器的触发角，调整流过直流断路器试品的直流电流达到直流断路器试品的额定电流，运行5分钟后进入故障电流分断试验，此一阶段为额定电流运行阶段，是利用电流源回路使直流断路器试品在额定电流下运行。

在额定电流运行阶段，合上冲击电流回路的隔离开关QS2、QS3给电容器Csc1和Csc2充电，为下面的直流断路器试品的短路电流分断试验做好准备，同时将电压源回路的直流电压发生器充好电。

电容器Csc1和Csc2充好电后，在t0时刻，触发导通电子开关Vsu1，电容器Csc1与电抗器L谐振产生短路电流，同时，触发导通电流源回路的旁路电子开关Vaux，关断电子开关V1，将电流源回路的直流电流由旁路电子开关Vaux旁路，冲击电流回路的短路电流流过直流断路器试品，待电流大于保护设定值后：

1)、t1时刻之前，触发直流断路器试品的转移支路高压电力电子开关，为短路电流向转移支路转移做好准备，或者使转移支路一直处于触发状态；

2)、t1时刻，关断直流断路器试品的主支路的低压电力电子开关，迫使短路电流由主支路向转移支路转移，此时，主支路电流快速减小，转移支路电流快速增大；

3)、在t2时刻，主支路电流小于某一设定值后，断开主支路快速机械开关，快速机械开关断开时，主支路电流接近零，两端电压等于转移支路内半导体器件通态压降的和，一般小于1000V，因此快速机械开关断开时不会有电弧。在快速机械开关从开始断开到可以承受断路器额定断口电压的t2-t3时刻内，转移支路内的短路电流持续快速增大，因此要求快速机械开关开断时间不大于2ms；

4)、在t3时刻，快速机械开关分断完成后，关断转移支路的高压电力电子开关，此时因回路中存在电感，关断转移支路的高压电力电子开关产生的高di/dt，在电感上产生高压，直流断路器试品两端电压快速升高，超过直流断路器耗能支路金属氧化物避雷器动作值后，避雷器动作，短路电流由转移支路向耗能支路转移，在t4时刻，直流断路器试品两端电压达到峰值，耗能支路电流也达到峰值，随后，在耗能支路作用下，电流迅速衰减，同时直流断路器试品两端电压也减小；

5)、在t5时刻，合上电压源回路的断路器QF(合闸命令需提前发，使得在t5时刻，断路器可以合闸完成)，给直流断路器试品施加一直流电压，以与实际运行时一致。

另外，电子开关Vsu1和Vsu2以及电子开关V1均采用半导体阀，具有开关速度快、无电弧等优点，实现混合型高压直流断路器分合闸速度快，并且，采用半导体阀作为电子开关还能够更好的混合型高压直流断路器分合闸试验时序，在1个LC放电周期内同时完成混合型高压直流断路器的合闸试验和分闸试验。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于混合型高压直流断路器试验系统，包括直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置，通过这三个装置单独或者配合运行实现混合型高压直流断路器的试验，但是，本发明并不局限于这三个装置的具体实现方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种混合型高压直流断路器试验系统，其特征在于，包括直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置，所述直流电压输出装置用于提供分闸后直流断路器试品承受的直流电压，所述直流电流输出装置用于提供稳态运行电流，所述短路电流输出装置用于提供短路电流，所述直流电压输出装置、直流电流输出装置和短路电流输出装置均有用于输出连接直流断路器试品的输出端口。

2.根据权利要求1所述的混合型高压直流断路器试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括一条由电抗器和二极管构成的单向导通支路，所述直流电流输出装置的输出端口和短路电流输出装置的输出端口均通过所述单向导通支路连接直流断路器试品。

3.根据权利要求1或2所述的混合型高压直流断路器试验系统，其特征在于，所述直流电流输出装置包括整流模块，所述整流模块的交流端用于连接交流电，所述整流模块的直流端通过控制开关连接所述直流电流输出装置的输出端口，用于将生成的直流电流输出给直流断路器试品。

4.根据权利要求3所述的混合型高压直流断路器试验系统，其特征在于，所述整流模块的直流端之间连接有一个旁路开关。

5.根据权利要求3所述的混合型高压直流断路器试验系统，其特征在于，所述整流模块为晶闸管12脉动整流器。

6.根据权利要求1或2所述的混合型高压直流断路器试验系统，其特征在于，所述短路电流输出装置包括直流供电模块和充电电容模块，所述直流供电模块通过充电开关供电连接所述充电电容模块，所述充电电容模块通过放电开关输出连接所述短路电流输出装置的输出端口，用于将生成的短路电流输出给直流断路器试品。

7.根据权利要求6所述的混合型高压直流断路器试验系统，其特征在于，所述充电电容模块包括第一充电电容单元和第二充电电容单元，直流供电模块输出两条充电线路，分别对应连接所述第一充电电容单元和第二充电电容单元，各充电线路上均串设有充电开关，各充电电容单元通过对应的放电开关输出连接所述短路电流输出装置的输出端口；所述第一充电电容单元和第二充电电容单元均由至少一个电容器构成。

8.根据权利要求6所述的混合型高压直流断路器试验系统，其特征在于，所述放电电容模块两端并联有放电支路，所述放电支路上串设有放电电阻和短路开关，在试验结束后闭合所述短路开关，将放电电容模块中的残余电量放尽。

9.根据权利要求6所述的混合型高压直流断路器试验系统，其特征在于，所述直流供电模块为二极管全桥整流器。

10.根据权利要求1或2所述的混合型高压直流断路器试验系统，其特征在于，所述直流电压输出装置包括直流电压发生器，所述直流电压发生器与所述直流电压发生器输出端口之间的直流电压输出线路上串设有限流保护电阻和控制开关。