直流断路器电流开断试验技术研究

直流断路器电流开断试验技术研究

摘要：随着直流电力技术的不断发展，直流断路器在高、低压直流电网中的重

要性日益明显，直流断路器的试验技术与试验回路设计、实施也成为容量试验站

研究的热点。文中分别讨论了中低压直流断路器、高压直流断路器的电流开断技术、开断要求，以及开断试验回路的设计、实施和试验技术。

关键词：断路器；直流断路器；电流开断试验

1引言

高压直流断路器是柔性直流电网工程的核心设备之一。作为主保护装置，高

压直流断路器配置在换流站出口侧，可在数毫秒内完成故障电流开断，并且快速、可靠地实现故障线路的隔离及重合，同时具备带电投切能力，以实现换流站在直

流电网中灵活投退。高压直流断路器集中了机械式高压直流断路器和固态式高压

直流断路器的优点，具备开关良好的静态特性和电力电子器件良好的动态性能，

是柔性直流工程中高压直流断路器的主流技术路线。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，其工作原理和运行工况均有别于传统的交流断

路器或中低压应用领域的直流断路器，迄今为止其电气试验尚没有可以参照的国

际或国家标准。为验证高压直流断路器设计的合理性和正确性，准确反映断路器电、热与机械等性能，开展高压直流断路器相关试验方法研究迫在

眉睫。

高压直流断路器运行状态分为稳态运行和暂态运行。当断路器处于分闸状态

和合闸状态时，断路器运行于稳态条件下; 当断路器处于分闸状态与合闸状态之

间的切换过程时，即处于合闸过程和分闸过程时，断路器运行于暂态条件下。暂

态运行中分闸过程的实现体现了高压直流断路器最核心的功能，即分断功能。当

柔性直流电网系统发生最严酷短路故障( 双极短路) 情况，直流母线上故障电流应

力最大，分断此时的短路电流是对直流断路器性能最严苛的考察。

直流断路器分断试验为运行试验中最为核心的试验，其有效性直接关乎直流

断路器电气性能的验证。目前，国内国际都没有成熟的分断试验平台。KEMA 实

验室提出了基于 LC 电源和低频短路发电机电源的分断试验方法的构想，但其相关理论及应用实践仍处于空白。

2中低压直流断路器电流开断试验回路及试验技术

2.1中低压直流断路器电流开断原理

目前，应用在中低压直流断路器直流电流开断的主要技术：

1)电弧拉伸技术。中低压机械式直流断路器通过电弧拉伸来开断直流电流，其开断原理见图 1。

式(1)中，当(E-Ri)

终熄灭。

目前，应用在低压直流电网中的空气直流断路器灭弧室采用金属栅片灭弧室

结构。电弧在开断过程中受吹弧磁场和气压的作用从触头间向灭弧栅片运动，以

此来增大电弧电压，为直流电流开断创造有利的条件，使直流断路器能够开断直

流电流。

2)固态器件开断技术。基于半导体器件的中低压固态直流断路器通过电力电

子器件的自关断能力来开断直流电流，这类型断路器需要配备专门的辅助保护设

备来吸收能量和限制过电压，以此来保护固态器件。

3)混合开断技术。中低压混合直流断路器结合了机械式开断电流大、固态

断路器开断时间段的优点，其开断原理见图 2。当主开关断开时，触头间产生的

电弧强迫电流进入固态开关支路，并由固态开关开断转移的直流电流，能量吸

收装置用来限制开断过程中的过电压、并吸收能量，辅助开关清除剩余电流以保

护避雷器的热过载。

2.2中低压直流断路的开断要求

依据国家标准《GB/T 25890.2—2010直流开关设备第 2 部分：直流断路器》，在城市城市轨道交通、船舶电力等领域的中低压直流电网中，直流断路器主要

电流开断试验项目及试验参数见表 1。通常中低压直流断路器由其在系统中的功

能可以分为互联断路器

(I)、线路断路器(L)、整流断路器(R)3 种。虽然标准中界定了不同类型的断路

器适用的试验方式，但在具体执行试验时可以根据客户需求增加部分试验方式。

特别需要说明的是 IEC 标准和国家标准均未对低压直流断路器的预期暂态恢复电

压(TRV)做出定量的要求，这是由于直流电流开断的 TRV 与断路器自身有很大的关系，其取决于断路器的开断特性、直流电网的感抗以及过电压吸收装置。然而，

在交流电流开断的 TRV 主要取决于电力网络自身的拓扑结构，断路器对 TRV 的影

响很小。

2.3中低压直流断路电流开断试验回路设计与实施

中低压直流断路器电流开断试验回路主要采用直接法，采用 AC/DC 变流器作为被试断路器的试验电源，这种方法能够满足中低压直流断路器电流开断试验对

试验电流(短路电流：31.5 k A~125 k A)和试验电压的需求。西安高压电器研究院

有限责任公司(XIHARI)大容量试验站进行中低压直流断路器电流开断试验的电气原理见图 3。电源可以来源于大容量试验站的冲击发电机，也可以来源于变电站的

高压专供线路。通常进行短路性能试验时，由于所需要的短路试验容量比较大，

由冲击发电机提供短路试验容量；其他开断试验电流比较小、试验容量低的试验，考虑到经济性，可以从交流电网获取试验容量

除了最大故障(出口端短路)试验外，均需要接入一定的负载侧电阻 RL、电感 LL来实现试验时对试验电流、时间常数（响应时间）的要求。最大能量、远端故障、

电起耐久性试验预期参数仿真结果见图 5。仿真结果表明按照实际试验回路搭建

的仿真模型验证了实际的试验回路完全能够提供满足客户需求和标准要求的试验

电流和时间常数(63 ms)。XIHARI 大容量试验站进行 1.8 k V/80 k A 直流开关试验回

路的开路调试和短路调试结果，通过改变图 1 中短路变压器的降压变比，提高整

流侧的电源电压，理论上试验容量可以满足 4 k V/125 k A 直流断路器的试验需求，进一步通过新增整流装置，可以满足额定电压10 k V 及以下、额定短路开断电流125 k A 及以下的直流断路器的试验需求。

3高压直流断路器开断试验技术

3.1高压直流断路器的电流开断技术

目前，应用在高压直流断路器直流电流开断的主要技术有：