直流斷路器大容量試驗(yàn)室的現(xiàn)狀與進(jìn)展

賀開華 彭海波

（1. 海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湘潭 411101；2. 中船重工集團(tuán)公司第712研究所，武漢 430064）

1 引言

目前，直流斷路器主要用于直流牽引系統(tǒng)和直流輸電系統(tǒng)，軌道交通系統(tǒng)的直流斷路器主要功能是正常情況下電流的通斷和故障電流時(shí)的保護(hù)，電壓等級(jí)一般為DC750～3000 V。直流輸電系統(tǒng)的直流斷路器主要進(jìn)行額定電流的開斷，電壓等級(jí)一般為20 ～500 kV。

直流斷路器的檢測和試驗(yàn)主要分三大部分即絕緣試驗(yàn)、大容量試驗(yàn)和機(jī)械溫升試驗(yàn)。相對(duì)而言，絕緣問題和機(jī)械溫升問題都可以在設(shè)計(jì)中通過經(jīng)驗(yàn)公式得以計(jì)算分析，而斷路器的開斷能力，目前還主要通過大容量試驗(yàn)來驗(yàn)證確定，因而大容量試驗(yàn)室的設(shè)備和試驗(yàn)技術(shù)尤為重要。

軌道交通系統(tǒng)的直流斷路器和高壓直流輸電系統(tǒng)的直流斷路器從原理上有所不同，針對(duì)不同斷路器的選取適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法無疑是一種比較合理的方式。

2 直流斷路器工作原理及分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)方法

2.1 直流斷路器工作原理

針對(duì)軌道交通系統(tǒng)的直流斷路器，一般主要為空氣斷路器[1]，其工作原理如圖1所示。

圖1 直流空氣斷路器原理圖

通過金屬柵片切割電弧將長弧變?yōu)槎鄠€(gè)短弧，利用短弧的近極壓降提高電弧電壓熄滅電弧，進(jìn)而分?jǐn)嚯娏鳌?/p>

針對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的直流斷路器，目前工程成熟的直流斷路器一般為采用轉(zhuǎn)移原理的有源振蕩直流斷路器[2]，其工作原理如圖 2所示。通過預(yù)先充有和系統(tǒng)反向電壓的電容C向斷路器CB注入反向電流形成零點(diǎn)。

圖2 一次轉(zhuǎn)移原理限流器原理圖

2.2 直流斷路器開斷能力試驗(yàn)方法

針對(duì)直流空氣斷路器，其開斷能力試驗(yàn)只能通過短路發(fā)電機(jī)或直接試驗(yàn)完成，試驗(yàn)線路圖如圖3所示。

圖中的短路發(fā)電機(jī)G亦可為交流電網(wǎng)。

針對(duì)轉(zhuǎn)移原理的高壓直流斷路器，如果采用短路發(fā)電機(jī)或直接試驗(yàn)完成從經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)實(shí)性均不可行。采用合成回路是一種比較合理可行的方式[3,4]。圖4為試驗(yàn)線路。其中左邊為電流源，右邊為電壓源。圖中左邊的電流源的發(fā)電機(jī)即可為交流電網(wǎng)。工作過程如圖5所示。

圖3 直流空氣斷路器試驗(yàn)線路圖

工作過程如下：

（1）AB1和TB同時(shí)打開，產(chǎn)生電弧電壓；

（2）當(dāng)TB的燃弧時(shí)間等于預(yù)期值是，火花間隙Gap引燃；

（3）AB2合閘旁路直流電流；

（4）當(dāng)電流由AB1-TB支路旁路到AB2時(shí)，AB1過零；

（5）AB1過零后，TB單獨(dú)承受電壓源注入的電流；

（6）注入TB的振蕩電流過零同時(shí)承受恢復(fù)電壓；

（7）整流器封鎖觸發(fā)信號(hào)。

圖4 高壓直流斷路器合成試驗(yàn)回路

3 國內(nèi)外直流斷路器大容量試驗(yàn)室的現(xiàn)狀

直流斷路器大容量實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)國家直流斷路器工業(yè)研究水平能力的集中體現(xiàn)。國外行業(yè)領(lǐng)先的電氣公司均建有自己的大容量實(shí)驗(yàn)室。除此之外還有一些獨(dú)立的大容量實(shí)驗(yàn)室等。這些實(shí)驗(yàn)室均根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，持續(xù)不斷的進(jìn)行擴(kuò)容和升級(jí)，以期滿足發(fā)展的需要和為新產(chǎn)品開發(fā)和新技術(shù)應(yīng)用提供支撐。

圖5 合成回路工作時(shí)序

大容量實(shí)驗(yàn)室是斷路器產(chǎn)品開發(fā)研制的重要工具，特別是斷路器的開斷能力，主要依賴試驗(yàn)來確定。

對(duì)于一款新型斷路器的開發(fā)，除了應(yīng)力方面的數(shù)值計(jì)算，以及磁場強(qiáng)度和電場強(qiáng)度的計(jì)算以外，斷路器開斷能力的研究基本上仍處于反復(fù)試驗(yàn)的水平上。對(duì)于一款新型斷路器分?jǐn)嗄芰Φ拇_定更多是通過“試—湊”的方式完成。主要是開關(guān)熄弧過程涉及理論面廣、內(nèi)容龐雜、相關(guān)物理領(lǐng)域的內(nèi)容人們還沒有完全掌握。使得分?jǐn)嗄芰Φ臄?shù)值分析和仿真計(jì)算非常困難，目前的仿真工作只是定性的增加人們對(duì)相關(guān)理論現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，并為尋找相應(yīng)規(guī)律的試驗(yàn)提供解釋。試驗(yàn)研究是斷路器產(chǎn)品，特別是新型斷路器研制的必須手段。

世界各國直流斷路器大容量試驗(yàn)室的試驗(yàn)?zāi)芰Ψ謩e如表1和表2所示。

表1 低壓直流斷路器大容量試驗(yàn)室

法國 Ferraz Shawmut短路發(fā)電機(jī)1250 4500 140 4荷蘭 KEMA 短路發(fā)電機(jī) 1600 260捷克 ZKU 短路發(fā)電機(jī)2000 4000 80 40

從表1可知，除意大利的CESI外，其它國家均為短路發(fā)電機(jī)。從表2可知，針對(duì)高壓直流斷路器，均采用合成回路。實(shí)際上，世界各國的直流大容量試驗(yàn)室和各國的直流斷路器研究水平息息相關(guān)，世界先進(jìn)水平的直流斷路基本上均出自于具有高水平試驗(yàn)?zāi)芰Φ膰摇?/p>

表2 高壓直流斷路器大容量試驗(yàn)室

4 結(jié)論

大容量實(shí)驗(yàn)室是推動(dòng)斷路器專業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)平臺(tái)，是直流斷路器產(chǎn)品開發(fā)研制的重要工具，是驗(yàn)證直流斷路器開斷能力的唯一和必備手段。大容量試驗(yàn)室對(duì)促進(jìn)和推動(dòng)斷路器的研究水平的提高有重要意義。

[1] 張冠生主編. 電器理論基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1980.

[2] Dag Andersson and Anders Henriksson. Passive and active DC breakers in the three gorges changzhou HVDC project. proceeding of 2001 international conference on power systems (ICPS2001), pp.391-395.

[3] Baoliang Sheng. A synthetic test circuit for current switching tests of HVDC circuit breakers, IEEE PES 2008 T&D Chicago Meeting, Apr. 21 - 24.

[4] 王永榮, 孫廣生, 嚴(yán)萍, 馮榮瓊. 高壓直流開斷的合成試驗(yàn)回路的等價(jià)性及其設(shè)計(jì). 電工電能新技術(shù)[J],1990, (3): 8-15.