CN110376513A - 一种直流高速开关内部燃弧耐受试验回路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流高速开关内部燃弧耐受试验回路，该试验回路包括短路回路、整流回路以及燃弧监测回路；其中：所述短路回路包括短路辅助断路器、交流电源以及短路变压器；所述交流电源、短路辅助断路器和短路变压器初级线圈依次串接形成回路；所述整流回路包括第一电流表、整流阀组、电抗器、整流辅助断路器以及限流电阻。通过在短路回路、整流回路、燃弧监测回路的协同作用下可以等效模拟出直流高速开关内部燃弧耐受试验的场景，通过等效模拟回路，在断路器SF6额定气压下，验证断路器在系统运行状态出现误动、偷跳而耐受的系统负荷直流电流的烧蚀的性能。
Description
技术领域
本发明涉及试验回路，具体涉及一种直流高速开关内部燃弧耐受试验回路。
背景技术
直流高速开关(High speed switch，HSS)主要应用在多端柔性直流输电系统中。配置直流高速开关的目的是为了实现直流系统的第三站在线投退及直流线路故障高速隔离，提高整个直流系统的可靠性和可用率。
直流高速开关一般采用敞开柱式断路器型式，操作机构可采用液压或者弹簧，为了配合多端系统协调控制，实现送端、受端的在线投入和退出，对设备关键性能参数的配合要求非常高，主要有以下特点：
(1)应具备不小于1.05p.u.系统额定输送容量的固有长期过负荷能力(最高环温下)；
(2)具备较强的直流燃弧耐受能力；
(3)具备转移直流线路空充电流的能力；
(4)具备较高分闸速度，可靠的机械动作特性，不发生拒动、误动。
直流高速开关的运行工况主要包括稳定闭合、断开暂态过程、稳定断开和闭合暂态过程4种。在HSS遇到的4种运行工况下，要求具备以下能力：
1、在HSS分闸状态下，断口两侧换流站解锁，两侧的直流电压均达到额定直流电压并稳定，这时HSS能够可靠合闸。
2、在HSS合闸状态下，断口一侧换流站闭锁，刚开始闭锁侧直流电压保持不变，HSS应能够可靠分闸，由于极线PT电阻放电等原因，闭锁侧对地电压逐渐降低，因此，在高速开关配套隔刀断开前，HSS应能够耐受逐渐升高的端间电压。
3、当直流线路发生故障时，HSS电源测换流站快速移相，HSS负载侧换流站快速闭锁，在HSS分闸动作前，需承受100ms左右的时间的瞬时大电流，幅值达几十kA。HSS在电流衰减为0后分闸。
4、具备短时间内部燃弧耐受能力，如乌东德柔直工程，要求具备3125A，400ms,5次的内部燃弧耐受，云贵互联工程要求具备3786A，400ms,5次的内部燃弧耐受，且五次燃弧后绝缘外套不发生破损。
5、HSS需要具备可靠的高速合闸、分闸的机械性能。如乌东德工程，要求合闸时间<100ms，分闸时间＜30ms。
6、HSS不需要具备开断直流电流或故障电流的性能。但是需要有直流线路残余电流开断的能力，一般在20A左右。
因此，在应用HSS前，需对其整体关键性能特别是需要对直流燃弧耐受能力进行试验考核评估，然而目前并没有直流燃弧耐受能力的试验考核方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种直流高速开关内部燃弧耐受试验回路，以在应用HSS前，对HSS进行试验，以判断其直流燃弧耐受能力是否符合要求
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种直流高速开关内部燃弧耐受试验回路，包括短路回路、整流回路以及燃弧监测回路；其中：
所述短路回路包括短路辅助断路器、交流电源以及短路变压器；所述交流电源、短路辅助断路器和短路变压器初级线圈依次串接形成回路；
所述整流回路包括第一电流表、整流阀组、电抗器、整流辅助断路器以及限流电阻；所述整流阀组和所述短路变压器的次级线圈相连接，第一电流表安装在整流阀和短路变压器的次级线圈相连接的线圈上；所述限流电阻的一端和所述整流阀组的输入端相连接，另一端和整流辅助断路器的一端相连接；所述电抗器的一端和所述整流阀组的输出端相连接；
所述燃弧监测回路包括第一电压表、第二电压表、第二电流表以及特征参量综合监测装置；所述整流辅助断路器的另一端用于和被试断路器相连接；所述特征参量综合监测装置用于对被试断路器进行监测，以获取试验所需参数；所述第二电流表的一端和所述限流电阻的另一端相连接，另一端分别和被试断路器相连接以及接地；所述第一电压表的一端连接在第二电流表和被试断路器相连接的线路上，另一端接地；所述第二电压表的一端连接在整流辅助断路器和被试断路器相连接的线路上，另一端接地。
所述整流阀组由可控换流臂组成的桥式换流阀所组成，以设置为6脉冲或12脉冲。
所述特征参量综合监测装置用于对被试断路器进行监测包括：
机械特性监测，以获取被试断路器T0分闸时的时间-触头速度、时间-触头行程曲线；
红外监测，以获取被试断路器在燃弧耐受热辐射导致的灭弧室表面温升的变化情况；
气体组分监测，获取被试断路器内部燃弧耐受过程中SF6气体组分产生、演化的过程。
所述交流电源为交流发电机。
所述电抗器为干式电抗器。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
通过在短路回路、整流回路、燃弧监测回路的协同作用下可以等效模拟出直流高速开关内部燃弧耐受试验的场景，通过等效模拟回路，在断路器SF6额定气压下，验证断路器在系统运行状态出现误动、偷跳而耐受的系统负荷直流电流的烧蚀的性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的直流高速开关内部燃弧耐受试验回路的电路原理图；
图2为断路器灭弧室触头烧蚀状态评估系统示意图；
图3为灭弧室红外监测示意图；
图4为温升评估流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参阅图1所示，本实施例提供的直流高速开关内部燃弧耐受试验回路主要由三大回路组成：短路回路100、整流回路200、燃弧监测回路300。
其中，该短路回路100包括辅助断路器AB2、交流发电机G及短路变压器T，该交流发电机G、短路辅助断路器AB2和短路变压器T初级线圈依次串接形成回路。
而该整流回路200包括则第一电流表A1、整流阀组V、干式电抗器L、整流辅助断路器AB1以及限流电阻R，该整流阀组V和该短路变压器T的次级线圈相连接，第一电流表A1安装在整流阀V和短路变压器T的次级线圈相连接的线圈上；该限流电阻R的一端和所述整流阀组V的输入端相连接，另一端和整流辅助断路器AB1的一端相连接；所述电抗器L的一端和所述整流阀组V的输出端相连接.
该燃弧监测回路300则包括第一电压表V 1、第二电压表V2、第二电流表A2以及特征参量综合监测装置30；该整流辅助断路器AB1的另一端用于和被试断路器T0相连接；该特征参量综合监测装置30用于对被试断路器T0进行监测，以获取试验所需参数；该第二电流表A2的一端和所述限流电阻R的另一端相连接，另一端分别和被试断路器T0相连接以及接地；该第一电压表V1的一端连接在第二电流表A2和被试断路器T0相连接的线路上，另一端接地；该第二电压表V2的一端连接在整流辅助断路器AB1和被试断路器T0相连接的线路上，另一端接地。
通过在短路回路、整流回路、燃弧监测回路的协同作用下可以等效模拟出直流高速开关内部燃弧耐受试验的场景，通过等效模拟回路，在断路器SF6额定气压下，验证断路器在系统运行状态出现误动、偷跳而耐受的系统负荷直流电流的烧蚀的性能。
其中，在该试验回路中，试品(即被试断路器T0)从合闸位置开始分闸，在试品弧触头间流过直流电流电弧Idc(具体幅值以具体工程最严苛故障工况计算值为准，一般在3000-5000A范围)；
持续时间为tac(具体时间以具体工程柔直阀保护闭锁时间定值为准，一般在300-500ms范围)；
共进行n次耐受燃弧试验，具体次数以工程对设备电寿命要求制定。
初始状态时，被试断路器T0在合闸状态，辅助断路器AB1、AB2在分闸状态。
参数偏差要求：直流幅值Idc与工程要求偏差为±10％，持续时间不能超过0.5s，Idc 2t的偏差为0～10％。
具体地，该整流阀组V由可控换流臂组成的桥式换流阀V，可以设置为6脉冲或12脉冲。而该特征参量综合监测装置用于对被试断路器进行监测包括：
机械特性监测，以获取被试断路器T0分闸时的时间-触头速度、时间-触头行程曲线；
红外监测，以获取被试断路器在燃弧耐受热辐射导致的灭弧室表面温升的变化情况；
气体组分监测，获取被试断路器内部燃弧耐受过程中SF6气体组分产生、演化的过程。
相应地，本实施例还提供了一种直流高速开关内部燃弧耐受试验方法，该方法采用上述的试验回路来进行，包括：
1)配置试验回路参数
根据试验电流要求值，以及发电机额定电压，调整短路变压器变比，再通过调节整流试验回路中的干式电抗器，使试品侧能够产生直流幅值Idc的短路电流。
2)产生短路电流
在试验回路发生短路前，试品处于合闸位置。试验开始后，由辅助断路器AB2合闸,将回路短路，并通过短路变压器T，将短路电流随线圈匝数比值放大，产生试验要求的短路电流，并输入整流回路的整流阀中，由电流表A1实时记录电流幅值。
3)整流
在整流回路中，由可控换流臂组成的桥式换流阀V可以设置为6脉冲或12脉冲，交流短路电流经过换流阀整流后，辅助断路器AB1合闸，输出直流电流，经干式电抗器L和限流电阻器R调节后，产生满足试验要求的电流幅值Idc。
4)燃弧试验及状态监测
在燃弧监测回路中，当时额定直流电流流经被试断路器T0后，控制被试断路器T0分闸，随着触头迅速相对分闸运动，弧触头间产生直流电弧，在触头分闸到位后，直流电弧将持续在弧触头间烧蚀，保持试验要求时间tac后，由辅助断路器AB2断开交流短路回路，切断电源测能量供应，被试断路器T0弧触头的电弧逐步减弱并最终熄灭。至此，一次试验结束。按试验要求值进行n次试验，试验间隔应以试品温度恢复至环境温度所需的时间为准，避免发生人身伤害。
试验过程中，分别记录动态电阻、气体组分演化、分合闸速度以及灭弧室红外温升等关键参量，并根据这些参量来分析出被试断路器的性能是否符合要求。
具体地，该动态电阻包括有4个关键特征参量，并具体定义如下：
1)弧触头有效接触状态：在断路器的分合闸过程中，当弧触头接触电阻小于或等于某一阀值(该值可参照动态接触电阻的测量值给出)时认为弧触头属于有效接触状态，当接触电阻大于该值时认为弧触头属于无效接触，为分离状态(并非绝对分离，而是为了方便数据分析)。由于动态电阻测试时试验电流达到2000A以上，在弧触头金属绝对分离时，会出现短暂拉弧现象，通过测试手段以接触电阻无穷大时作为触头绝对分离时刻是不准确的，因此本申请定义某阈值作为弧触头接触边缘值，仅为了方便试验数据趋势分析。
2)有效接触位移L(mm)：在断路器的分合闸过程中，主触头刚分离后，弧触头接触电阻小于或等于阈值(2000μΩ)时所对应的接触位移，称为有效接触位移。
3)累积接触电阻Raccu(μΩ*mm)：有效接触位移所对应采样时刻接触电阻的累积值。试验仪器采样率为20k，即每0.05ms得到对应的接触电阻值，对有效接触位移曲线范围内的接触电阻进行积分，可得累积接触电阻μΩ*mm。
4)平均接触电阻Rave(μΩ/mm)：累积接触电阻除以有效接触位移，可得平均接触电阻μΩ/mm，可较好的体现触头烧蚀后接触电阻以及有效接触位移的变化情况。
在燃弧试验前后及每一次试验间隔均测量断路器弧触头的动态电阻，记录弧触头烧蚀状态特征参量，评估弧触头的耐电弧烧蚀程度，完成下表的记录。
当弧触头有效接触位移L处于0～5mm的区间时，平均接触电阻随有效接触位移的增加而呈快速下降趋势，接触位移大于5mm以后，平均接触电阻变化渐趋于平稳。
在耐受燃弧试验前后，应记录弧触头的尺寸长度、重量变化。
解体试验样机，测量动、静弧触头的端口尺寸和零件重量；
试验前后重量变化(单位：g)
试验前后弧触头尺寸变化(单位：mm)
其中，断路器灭弧室触头烧蚀状态评估方法具体如图2所示，包括如下步骤：
第一步：用户通过动态电阻测试技术提取断路器灭弧室特征参量，输入到评估系统，输入数据包括：
1)待评估断路器台账信息：断路器调度编号，相别，电压等级，断路器型号，生产厂家，投运时间；
2)该型号断路器的初始特征参量：弧触头有效接触位移L(mm)；弧触头累积接触电阻Raccu(μΩ*mm)；弧触头平均接触电阻Rave(μΩ/mm)；
3)待评估断路器当前状态的特征参量：弧触头有效接触位移L(mm)；弧触头累积接触电阻Raccu(μΩ*mm)；弧触头平均接触电阻Rave(μΩ/mm)；
第二步：基于数据库(累积能量烧蚀指纹库；触头特征参量关联库；触头烧蚀状态专家库)，对第一步输入的待评估断路器初始状态、当前状态的特征参量进行综合评估，分别得到弧触头当前烧蚀状态对应的累积开合能量、特征量关联曲线的定量差值。
第三步：基于第二步综合分析的结果，完成特征参量的计算，对断路器当前弧触头的有效接触位移与初始有效接触位移比值区间进行判别。
第四步：对当前断路器灭弧室状态进行评估，如当前弧触头的有效接触位移与初始有效接触位移比值在80～100％范围内，属于正常烧蚀状态；如比值在60～80％范围内，属于轻微烧蚀状态；如比值在40～60％范围内，属于中度烧蚀状态；如比值在20～40％范围内，属于重度烧蚀状态；如比值在<20％范围内，属于异常状态；
在断路器进行内部燃弧试验过程中，对灭弧室SF6气体多种特征组分的产生、增长等演化趋势进行记录，该数据可以作为该型号断路器运行时重要的检修依据，也是评估断路器喷口烧蚀程度的重要指标。
而对于被试断路器的分合闸速度监测，则可以采用常规的速度的传感器，安装在断路器的操作机构拐臂上，在被试断路器T0分合闸动作时，将分合闸速度v-时间t-动作行程l的数据实时传输至特征参量综合监测装置中进行综合处理，即可以完成机械特性的测量。
在被试断路器T0开展内部燃弧耐受试验时，由于弧触头持续耐受电弧tarc的烧蚀，电弧的温升经由绝缘气体热辐射到灭弧室的绝缘外套上，会引起灭弧室表面几K的温升变化，因此，在试验过程中，基于红外辐射测温技术采用红外监测装置，实时监测断路器灭弧室绝缘外套温升变化，将数据传输至特征参量综合监测装置中进行综合分析评估。在型式试验中温升测试数据将作为运行后的重要状态评估依据。
断路器有两个灭弧室，每个灭弧室的测温点分别取上下层，左中右位置共6个点，具体如图3所示。
完成测温后，记录温升(K)数据如下：
温升评估流程如图4所示，包括：
1、在断路器开展耐受燃弧试验过程中，红外监测灭弧室绝缘外套温度，按照上下层、左中右布点的原则进行温升测试，各点温升记录为T2，对灭弧室散点温升进行方差根处理，得到均值T1。
2、是否存在局部过热灭弧室温升超过均值T1max，如果没有超过评估正常，如果超过，进行下一步评估。
3、根据正常燃弧耐受下载流导体温升，对实测外套温升进行反演推算，得到载流导体温升计算值。
4、灭弧室外套散点测试值中是否存超过第一限值T2max1，如果是，评估为灭弧室载流导体接触异常，如果否，进行下一步评估。
5、灭弧室外套散点测试值中是否存超过第一限值T2max2，如果是，评估为灭弧室载流导体接触达到注意值，应采取其他辅助评估手段，如果否，温升评估结束。
按照试验要求值，经历n次内部燃弧耐受，试验过程中，被试断路器T0不应该产生明显的外部效应，即试品不能发生爆炸，且其外壳上不能产生孔洞或裂缝，则说明其满足内部燃弧耐受性能要求。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种直流高速开关内部燃弧耐受试验回路，其特征在于，包括短路回路、整流回路以及燃弧监测回路；其中：
所述短路回路包括短路辅助断路器、交流电源以及短路变压器；所述交流电源、短路辅助断路器和短路变压器初级线圈依次串接形成回路；
所述整流回路包括第一电流表、整流阀组、电抗器、整流辅助断路器以及限流电阻；所述整流阀组和所述短路变压器的次级线圈相连接，第一电流表安装在整流阀和短路变压器的次级线圈相连接的线圈上；所述限流电阻的一端和所述整流阀组的输入端相连接，另一端和整流辅助断路器的一端相连接；所述电抗器的一端和所述整流阀组的输出端相连接；
所述燃弧监测回路包括第一电压表、第二电压表、第二电流表以及特征参量综合监测装置；所述整流辅助断路器的另一端用于和被试断路器相连接；所述特征参量综合监测装置用于对被试断路器进行监测，以获取试验所需参数；所述第二电流表的一端和所述限流电阻的另一端相连接，另一端分别和被试断路器相连接以及接地；所述第一电压表的一端连接在第二电流表和被试断路器相连接的线路上，另一端接地；所述第二电压表的一端连接在整流辅助断路器和被试断路器相连接的线路上，另一端接地。
2.如权利要求1所述的直流高速开关内部燃弧耐受试验回路，其特征在于，所述燃弧监测回路还包括特征参量综合监测装置，所述特征参量综合监测装置用于对被试断路器进行监测，以获取试验所需参数。
3.如权利要求1所述的直流高速开关内部燃弧耐受试验回路，其特征在于，所述整流阀组由可控换流臂组成的桥式换流阀所组成，以设置为6脉冲或12脉冲。
4.如权利要求1所述的直流高速开关内部燃弧耐受试验回路，其特征在于，所述特征参量综合监测装置用于对被试断路器进行监测包括：
机械特性监测，以获取被试断路器T0分闸时的时间-触头速度、时间-触头行程曲线；
红外监测，以获取被试断路器在燃弧耐受热辐射导致的灭弧室表面温升的变化情况；
气体组分监测，获取被试断路器内部燃弧耐受过程中SF6气体组分产生、演化的过程。
5.如权利要求1所述的直流高速开关内部燃弧耐受试验回路，其特征在于，所述交流电源为交流发电机。
6.如权利要求1所述的直流高速开关内部燃弧耐受试验回路，其特征在于，所述电抗器为干式电抗器。
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| CN201910620721.5A Pending CN110376513A (zh) | 2019-07-10 | 2019-07-10 | 一种直流高速开关内部燃弧耐受试验回路 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN110376513A (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN103744018A (zh) * | 2014-01-16 | 2014-04-23 | 常州市明及电气技术开发有限公司 | 一种针对高压断路器的在线监测系统 |
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-
2019
- 2019-07-10 CN CN201910620721.5A patent/CN110376513A/zh active Pending
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