高压直流断路器的重要作用和智能化发展

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：高压直流断路器用于直流电力系统中清除故障线路、开断平行线、隔离故障换流器、改变直流系统运行方式等。为保证直流断路器的安全运行和转换，有必要对分断时的电流进行实时检测，以便及时掌握断路器的工作状态。断路器的智能化水平将会直接影响直流系统整体自动化和智能化的发展进程，因此智能直流断路器的研究将会受到普遍关注。

高压直流断路器用于直流电力系统中清除故障线路、开断平行线、隔离故障换流器、改变直流系统运行方式等。

传统的交流断路器利用电流过零的时候开断电流。但直流没有零点，这就给直流断路器的开断带来了一定困难，因此直流开断最重要的问题是要采取有效措施使断路器开断时的电流减到零。根据使直流减为零的方法可将直流断路器分为无源型直流断路器和有源型直流断路器，如图8-82和图8-83所示。

图8-82 无源型直流断路器

图8-83 有源型直流断路器

图8-82和图8-83中，CB为直流断路器、L为电抗器、C为电容器、LA为ZnO避雷器、DS为隔离开关。无源直流断路器的工作原理如下：当断路器的触头分开后，由电弧激发产生的能量使断路器和LC支路构成的环路中产生谐振电流，这样谐振电流与直流相叠加使电流过零。当电流流入LC振荡回路时，恢复电压开始极速上升。当达到LA阀值电压后，LA导通，抑制电压继续升高，并耗散掉大量的能量。最后，系统能量耗散完毕，LA截止，电路完成开断。该类断路器振荡电流的产生是利用了电弧的负阻特性，当电弧电流大到一定程度后，电弧的静态伏安特性曲线下降趋于平缓（dU/dI→0）。此时，电弧负阻特性就变得不很明显，不能保证振荡电流稳定振荡到可产生零点的幅值，所以该类断路器的开断电流能力有一定的限制。但无源型直流断路器结构简单、容易控制、开断能力较强，成为了目前实际应用较多的直流断路器。

对于有源直流断路器来说，是利用电流转移原理灭弧，其回路中的电容器有一个预充电过程。该类断路器由直流断路器CB，电容器C、电感器L及隔离开关DS串联而成的换流回路，能量耗散装置ZnO避雷器及电容器充电的辅助设备四大部分组成，工作时电容器预先充电到一定值，所以换流回路需要通过DS连接到主开关上。由于CB最佳燃弧时间和最短开距的存在，换流回路投入时间的精度要求较高。所以DS一般选用导通时间短的开关，如火花间隙（SG）、真空触发开关（TVS）等。为电容器充电的直流电源应能较快完成电容的充电，以使断路器在短时间间隔内有完成多步操作循环的能力。当断路器收到分闸命令后，CB打开。同时闭合DS，将预充电的电容器投入到回路中。电容器放电产生的反向电流与CB中电弧电流叠加振荡，当CB的开距达到额定开距，振荡电流产生零点时，电弧熄灭。接着，ZnO避雷器因陡增的恢复电压而动作，把系统电感中存储的能量耗散掉。相比之下，有源型直流断路器可在短时间内开断大的直流电流，然而这种类型的直流断路器组件较多，控制复杂，可靠性受到一定影响。

总之，要使直流电流过零点，必须使断路器耗散电路内储存的能量。这种能量总计为，L为输电线路和平波电抗器的总电感，I为被开断的故障电流。开断后，因感性电路中电流突然开断而引起的过电压要足够低，不致危害系统和设备。抑制开断感性直流电流引起的过电压可用ZnO避雷器来实现。

为检验直流断路器的电流转换能力，可进行以下试验项目：

1.无源直流断路器电流转换试验

对无源型直流断路器进行该项电流转换试验，电流转换成功后不加恢复电压。试验回路包括电流源、受试断路器、保护断路器、避雷器、辅助回路电感和电容等。

2.有源直流断路器电流转换试验

对有源型直流断路器进行该项电流转换试验，电流转换成功后不加恢复电压。试验回路包括电流源、受试断路器、保护断路器、避雷器、辅助回路电感和电容、分压器、电容器充电电源等。

3.合成试验

该项试验仅对直流断路器的主断口进行，不带辅助回路。试验回路包括电流源和电压源2个部分，与交流断路器合成试验的威尔合成回路的原理类似。电压源包括电容器、电阻、球隙和电感等。

振荡电流的投入时刻、幅值、频率和变化趋势等是决定断路器成功开断的关键因素。若主回路合成电流没有过零，则容易造成断路器开断失败，对系统造成严重影响。为保证直流断路器的安全运行和转换，有必要对分断时的电流进行实时检测，以便及时掌握断路器的工作状态。如我国三峡—常州的直流输电工程，采用光电型直流电流互感器，测量信号通过光纤传输至低压侧检测回路。

直流断路器主回路的开断和转移电流的投入要求同步控制要好，如应用电子操动系统来进行控制，以永磁机构操动，采用单一机构来同时带动两个灭弧室同步实现主电路的分断和转移电流的投入。

直流断路器是直流系统中一种重要的开关电器设备，国际上已广泛应用于直流输电、地铁牵引、船电系统等领域。随着直流系统的技术进步及其在国民经济发展中的位置不断提升，系统对直流断路器智能化的要求也越来越高。断路器的智能化水平将会直接影响直流系统整体自动化和智能化的发展进程，因此智能直流断路器的研究将会受到普遍关注。

高压直流断路器的重要作用和智能化发展

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