CN109031106B - 一种混合式直流断路器开断试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合式直流断路器开断试验装置，包括充电电源支路、谐振电容、谐振电感、谐振控制开关、放电支路及用于连接混合式直流断路器试品的正、负连接端；充电电源支路和谐振电容并联并构成了第一、二并联点，第一、二并联点对应连接正、负连接端；谐振电感和谐振控制开关串设在第一并联点与正连接端之间和/或第二并联点与负连接端之间；放电支路并联连接在谐振电容的两端，放电支路包括并联的泄放支路和旁路支路，泄放支路中串设有耗能器件和放电开关，旁路支路中串设有接地开关。本发明在直流断路器残余能量泄放过程中，先经过泄放支路放电，延时一段时间再直接对地放电，使断路器中的残余能量泄放的更彻底，测试过程更安全。

Description

一种混合式直流断路器开断试验装置

技术领域

本发明涉及一种混合式直流断路器开断试验装置，属于直流输电技术领域。

背景技术

混合式直流断路器是多端柔性直流输电工程中最核心的设备之一，在各直流线路两侧均配置有直流断路器。在直流系统中，直流断路器作为主保护装置，需在数毫秒内完成故障电流开断，并且快速、可靠实现故障线路的隔离及重合。直流断路器旨在保障健全系统的安全持续运行，提高直流电网可靠性。此外，直流断路器应具备带电投切能力，以实现换流站在直流电网中灵活投退。

为验证混合式直流断路器设计的合理性和正确性，准确反映直流断路器实际运行工况中的电、热与机械等性能，亟待开展直流断路器等效试验技术的研究工作。电流开断试验，作为直流断路器试验中的一项，等效直流断路器在实际运行中分断过程的动态工况，所设计的试验电路，既要能全面考核直流断路器在实际系统中各种暂稳态运行工况下的耐受电热应力，还需要保证各项试验的等效性和试验装置的安全性。

混合式直流断路器一次电路由三部分组成，包括主支路、转移支路和耗能支路组成，其典型拓扑结构如图1所示。主支路主要由快速机械开关12和半导体模块13构成，为直流断路器在稳态运行工况下提供直流电流通路；转移支路由电力电子开关组成的阀串串联构成，用于短时承载直流系统短路电流，并通过换流将电容串入故障回路，建立瞬态分断电压；耗能支路由多个避雷器组15串并联构成，用于抑制转移支路瞬态分断过电压、吸收线路及系统所储存的残余能量。

就考核直流断路器电流分断而言，利用振荡回路产生的谐振电流等效直流断路器电流分断应力，其分断后，由于试验系统中存在残余能量，在试验回路杂散参数影响下，端间耐受的电压电流应力如图2所示。在图2中，t0-t1所对应为主支路电流，t1-t2虚线圈出部分对应为第一次换流时主支路和转移支路的电流变化，t2-t3所对应为转移支路电流，t3-t4虚线圈出部分对应为第二次换流时转移支路和耗能支路的电流变化，t4-t5对应为断路器端电压变化。

公布号为CN105807216A的中国专利申请公开了一种高压直流断路器全桥模块的实验装置及其试验方法，该实验装置包括充电回路、电容器C1、电抗器L、全桥模块单元、吸能器Rz和晶闸管T，通过直流电源对低压大电容充电，完成后由晶闸管触发试验电路，试验电流经电抗调节后注入全桥模块，达到预期分断电流或者最大分断时间时，完成分断由并联于全桥模块两端的吸能器吸收并限制过电压。由于混合式直流断路器由多个功率模块串联构成，在试验过程中需要泄放的能量远大于上述全桥模块，因此若将上述高压直流断路器全桥模块的实验装置及其试验方法的测试对象替换为混合式直流断路器时，会导致能量泄放不彻底的问题，进而影响到下次实验，导致实验效率不高；另外，由于直流断路器电流过零后的端间振荡电压应力较大，会导致晶闸管击穿的问题，增加了实验成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合式直流断路器开断试验装置，用于解决混合式直流断路器在测试过程中残余能量泄放不彻底导致实验效率不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种混合式直流断路器开断试验装置，包括充电电源支路、谐振电容、谐振电感、谐振控制开关、放电支路以及用于连接混合式直流断路器试品的正、负连接端；所述充电电源支路和谐振电容并联连接并构成了第一并联点和第二并联点，所述第一并联点和第二并联点对应连接所述正、负连接端；所述谐振电感和谐振控制开关串设在所述第一并联点与正连接端之间和/或所述第二并联点与负连接端之间；所述放电支路并联连接在所述谐振电容的两端，所述放电支路包括并联连接的泄放支路和旁路支路，所述泄放支路中串设有耗能器件和放电开关，所述旁路支路中串设有接地开关。

本发明的有益效果是：通过给泄放支路并联设置一个旁路支路，在直流断路器残余能量泄放过程中，先经过泄放支路放电，延时一段时间后再闭合旁路支路放电，可以使断路器中的残余能量泄放的更彻底，提高了试验效率；并且在旁路支路闭合后更改了试验接线，测试过程更安全。

进一步的，为了防止直流断路器电流过零后的端间振荡电压应力反向击穿谐振控制开关，所述谐振控制开关的两端并联连接有旁路开关。

进一步的，为了控制振荡电流的产生时间，所述谐振控制开关为晶闸管。

进一步的，为了对谐振电容的充电时间进行控制，所述充电电源支路中串设有直流充电电源和充电开关。

进一步的，所述耗能器件为泄放电阻。

附图说明

图1是混合式直流断路器的典型拓扑结构示意图；

图2是混合直流断路器端间耐受的电压电流应力；

图3是本发明混合式直流断路器开断试验装置的电路结构示意图；

图4是本发明混合式直流断路器开断试验装置的运行动作时序图。

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，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供了一种混合式直流断路器开断试验装置，其电路结构示意图如图3所示，包括充电电源支路、谐振电容、谐振电感、谐振控制开关、放电支路以及用于连接混合式直流断路器试品的正、负连接端。充电电源支路和谐振电容并联连接并构成了第一并联点和第二并联点，第一并联点和第二并联点对应连接正、负连接端，谐振电感和谐振控制开关串设在第一并联点与正连接端之间。放电支路并联连接在谐振电容的两端，该放电支路包括并联连接的泄放支路和旁路支路，泄放支路中串设有耗能器件和放电开关，旁路支路中串设有接地开关。

其中，充电电源支路中串设有直流充电电源01和充电开关03，该充电电源支路中的直流充电电源01经过充电开关03给谐振电容02充电，当谐振电容02的电压达到设定值，充电结束后，充电开关03分闸。在本实施例中，该谐振控制开关为晶闸管05，该晶闸管05用于在谐振电容02充电过程中与谐振电感07以及混合式直流断路器试品08间的电压隔离，阻止谐振电容02和谐振电感07发生谐振。该晶闸管05还用于通过控制门极触发脉冲来控制谐振电容02与谐振电感07发生谐振的开始时刻，晶闸管05触发导通后，谐振电容02和谐振电感07(谐振电抗器)构成LC振荡回路，产生kA级的振荡电流，从而模拟直流输电系统额定运行电流、故障电流等波形，作用于混合式高压直流断路器。在晶闸管05的两端并联连接有旁路开关04，用于提供谐振试验回路正反向电流通路，保护晶闸管隔离阀05不被反向暂态高压击穿失效。放电支路包括并联连接的泄放支路和旁路支路，在本实施例中，该泄放支路中串设的耗能器件为泄放电阻06，通过控制放电支路中并联连接的泄放支路和旁路支路的导通断开时序，对直流断路器分断完成后试验装置电路中的残余能量进行放电。

需要说明的是，作为其他的实施方式，谐振电感和晶闸管也可以串联设置在第二并联点与负连接端之间，或者是谐振电感和晶闸管分别串设在第一并联点与正连接端之间以及第二并联点与负连接端之间，只需保证晶闸管的设置方向在其闭合后谐振电容和谐振电感发生振荡。

当需要对混合式高压直流断路器进行测试时，将该混合式高压直流断路器试品连接到上述混合式直流断路器开断试验装置的正、负连接端，测试过程如下：

闭合充电开关03，直流充电电源01给谐振电容02充电，当谐振电容02的电压达到设定值后，充电开关03分闸，充电完成。充电开关分闸结束后延时一段时间，控制晶闸管05门极触发脉冲，晶闸管05导通，确保晶闸管隔离阀导通前，充电开关分闸到位，保护直流充电电源安全，隔离阀05合闸到位时刻在混合式直流断路器转移支路半导体模块导通期间。晶闸管05导通后，谐振电容02和谐振电感07产生振荡电流。此时，通过利用LC零状态二阶振荡电路原理的试验拓扑结构产生振荡电流，解决了混合式直流断路器分断短路电流的过程应力等效，拓扑原理简单。

当谐振电流上升到设定值时，通过试验装置的二次控制系统下发直流断路器开断指令，直流断路器按照设定的控制逻辑时序，开断试验装置中的振荡电流，以等效直流断路器开断不同大小的电流应力。在直流断路器开断过程中，为了保护晶闸管隔离阀05不被反向暂态高压击穿失效，闭合该晶闸管05的旁路开关04。且当直流断路器的耗能支路电流过零后，试验回路中的晶闸管隔离阀05自然关断后，将耐受系统杂散参数引起的振荡电压。通过在晶闸管隔离阀两端并联旁路开关，可以保护隔离阀关断后受过电压应力而失效，将此电压应力转移到谐振电抗器上，解决了隔离阀反向关断后承受的反向暂态高电压应力的问题，减小设备投资，节约成本，安全可靠。

直流断路器分断完成后，闭合放电开关09，先经泄放电阻06对地放电，延时一段时间后，再闭合接地开关10直接接地放电，泄放试验回路残余电荷，放电回路电流小，解决了试验回路中残余能量泄放难题，更安全可靠，且提高了测试效率。

结合图1，图4给出了上述混合式直流断路器开断试验装置在测试过程中的逻辑控制时序，具体内容如下：

1)准备阶段

放电开关09和接地开关10呈断开状态，晶闸管隔离阀05的旁路开关04呈断开状态，晶闸管隔离阀05门极触发呈闭锁状态，混合式直流断路器试品08中的快速机械开关12呈闭合状态。

2)充电阶段

t₀时刻，闭合充电开关03，直流充电电源01开始给谐振电容02充电，经过Δt₁(t₁-t₀)后，谐振电容02电压达到设定目标值，t₁时刻，断开充电开关03。

3)谐振阶段

t₂时刻，触发晶闸管隔离阀05解锁，谐振电容02与谐振电感07发生谐振，回路产生峰值满足要求的振荡电流。

t₃时刻，触发混合直流断路器转移支路半导体模块14，回路振荡电流由主支路转移到转移支路；t₄时刻，晶闸管隔离阀的旁路开关04闭合到位，其中，t₄时刻在Δt₂范围内，t₃≤Δt₂≤t₅。

4)电流分断阶段

t₅时刻，闭锁图1中混合直流断路器08转移支路的半导体模块14，谐振电流无弧关断，混合式直流断路器08端间出现暂态高频高电压。

t₆时刻，电流分断结束，合闸放电开关09，将回路残余电荷经泄放电阻06消耗；t₇时刻，合闸回路接地开关10，试验结束，其中，t₆＜t₇。

需要说明的是，以上给出了本发明具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。根据发明的技术方案，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动，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 (4)

1.一种混合式直流断路器开断试验装置，包括充电电源支路、谐振电容、谐振电感、谐振控制开关、放电支路以及用于连接混合式直流断路器试品的正、负连接端；所述充电电源支路和谐振电容并联连接并构成了第一并联点和第二并联点，所述第一并联点和第二并联点对应连接所述正、负连接端；所述谐振电感和谐振控制开关串设在所述第一并联点与正连接端之间和/或所述第二并联点与负连接端之间；所述放电支路并联连接在所述谐振电容的两端，其特征在于，所述放电支路包括并联连接的泄放支路和旁路支路，所述泄放支路中串设有耗能器件和放电开关，所述旁路支路中串设有接地开关；所述放电支路用于混合式直流断路器分断完成后，闭合放电开关，先经耗能器件对地放电，延时一段时间后，再闭合接地开关直接接地放电；

所述谐振控制开关的两端并联连接有旁路开关，所述旁路开关用于在混合直流断路器开断试验过程中谐振控制开关自然关断后延时闭合。

2.根据权利要求1所述的混合式直流断路器开断试验装置，其特征在于，所述谐振控制开关为晶闸管。

3.根据权利要求1所述的混合式直流断路器开断试验装置，其特征在于，所述充电电源支路中串设有直流充电电源和充电开关。

4.根据权利要求1所述的混合式直流断路器开断试验装置，其特征在于，所述耗能器件为泄放电阻。

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