高压直流断路器关键技术研究分析

高压直流断路器关键技术研究分析

俞正存(一作),赵文豪,吴艳

 浙江德菱科技股份有限公司；325600

摘要：高压直流电路相比于传统的交流电，有着巨大优越性。从能源视角上来讲，高压直流电路更符合如今全球能源的发展方向和趋势，特别对以燃煤发电为主要发电方式的国家来说有着至关重要的意义。正基于此，以下对高压直流断路器试验技术研究情况进行了讨论，以供参考。

关键词：高压直流断路器；试验技术；直流输电；研究分析

随着高压输电技术的迅速发展，使得高压直流输电设备在电源行业中实现了应用。相比于传统高压交流输电技术而言，直流输电技术表现出功率因数调节简便、输电损失较低、安全性高等优点，在大规模、长距离输电的条件下也具有良好适应性。要发挥高压直流输电技术的优势，就必须加强对其试验与关键技术的研发，使该技术能够合理地运用于整个输电体系中，并在断路器作用下，完成对多端直流输配电网络的完善构建。

一、高压直流断路器的技术原理

高压直流断路器是为解决直流电流故障扩散问题应运而生的产品。高压直流断路器的主要功能就是实现对高压电网的有效开断，特别是在当高压电网发生故障时会有效截断故障电压，其功能主要通过交流断路器进行适当的改装而形成，类似于中国目前最常使用的交流断路器空气开关。高压直流断路器大致包括了三个种类——机械式、拓扑式和混合型，而随着高压直流技术的进展，对它的研发与改进也日益引起了有关领域专家们的关注。目前高压直流断路器大多使用在高压直流输电系统，依据的主要原则为迭加振荡电流法。目前，已开发的较为成熟的产品有真空断路器、六氟化硫断路器和产气断路器等，但由于产气断路器是实验内的重要产品，因此目前还不宜进行大面积普及，而真空断路器和六氟化硫断路器则是目前使用最普遍、工艺最完善的产品，几乎可以垄断全世界的断路器领域[1] 。

二、高压直流断路器现状

（一）高压直流断路器存在的问题

我国当前的高压直流断路器，大多采用了电压增幅的相关方法进行开发，这类产品剩余电流断路器的生产成本较低，并且具备很好的产品性能。不过，因为电流矩形波的增大对开断过程产生一定的干扰，所以在面对电流矩形波增大后，它的开断能力就会受到一定影响，而这种影响在实际使用中往往十分致命，所以如果由于电流信号幅值很大，而造成断路器完全没有发挥作用，将会错过了自动切断电路最好的时间，而且往往产生了不可估量的结果。电流幅值变化在实际工作中很难监控，因为不同的流量就会产生不同的电流幅值变化，而如果没有解决这种问题，剩余的电流断路器也就很难运用在现实的高压供电中。

（二）当前沿用技术的改良

随着电气科技的日益革新，高压直流断路器也不断发生了迭代。在高电压、大电流的使用场所中，一般按照不同的设计要求将元器件并联以增加电抗能，又或是将元器件并联以增加其分流能，以此从根本上增加了其对高电压、大电流场所的适应能力。另外，为解决电路幅度过大而对断路器的开断能力产生负面影响时，从灭弧能力、灭弧材料等方面给出了对策。首先，从深入研究直流电弧的特点入手，只有全面掌握直流电弧的特点，才能防止对其产生更大的影响，并以此为出发点生产出灭弧力更强、灭弧速度更快的断路器。其次，通过包含了机械开关与电力电子器件的结合，可以通过合理掌握开断时机来选择正确的开关顺序，并让机械开关实现在很小的电压或者零电量情况下开断，进而实现解决了上述问题。随着科学技术的革新，纯电子器件的固体拓扑断路器的构想又被重新提起，但目前也处在研究的初级阶段，因为一旦研制成功，就能够从根本上克服电弧问题[2]。

三、在高压直流断路器组件上的技术突破

（一）快速机械开关动态冲击试验

目前，高压直流断路器已经可以适应当前对高压直流电网的技术要求，不过，仍需利用不同的试验进一步提高高压直流断路器的稳定性，使其可以在实际使用中具有更良好的性能。快速机械开关的动态测试，是用来检验高压直流断路器在高强度操作时的安全性，以及它的实际使用寿命，而随着时限的延长以及使用频率的增大，高压直流断路器也会随着电气元器件的老化和功能下降而寿命逐渐下降。通过快速机械开关的动态测试，就可以从较大范围上计算出高压直流断路器的实际使用寿命，另外，经过对测试结果的研究，还能够进一步完善高压直流断路器，以选择更加耐久的材质，并通过更多的工艺改良措施，以进一步改善其在高速机械开关动态压力测试中的性能，从而改善了高压直流断路器的实际使用寿命，对于高压直流断路器的推广有着很大意义。由于高压电网的特殊地理位置，使得高压直流断路器的安装面临着不少阻碍，但如果可以延长高压直流断路器的使用寿命，或者减少高压直流断路器的更新频次和维护频率，对一些高原、丘陵等地方的电能普及以及稳定供电帮助很大。

（二）额定电流和短路电流开断试验

通过对主支路阀组的电流应力试验，可以得到许多关键的信息，从而帮助专业人员确定高压直流断路器的主要技术参数，而这些参数的正确设定，将有助于在极大限度上确定断路器所能通过的最高电流值。不过，在日常应用环境中不要用高压电流这种可能对电气元器件造成损伤的方法操作，而是需要采用比较适当的额定电流，由此可知，对于集成电路的额定电流的检测十分必要。若对额定容量检测正确，则会在较大范围上维护线路的正常运行，进而降低断路器的检查频率。对一定型号的高压直流断路器进行了与极限电流值之间的不同电流的测试，通过采用对试验温度、测试压力和有关数据的比较，并且选择与最高电流等值的依据，就可以从较大范围上推断最理想的电流，然后把各种型号的高压直流断路器应用在适当的工作地点上，以提高最大的效率。而短路电流的开断实验也是测试的主要内容之一，由于高压直流断路器在发挥作用时的最大几率是在短路条件下。通常的某些天灾如大风闪电，都有相当几率导致电网短路，同时，因为电网的部分元器件老化、检测不准确或是某些人为因素等都有可能造成这种事故的出现，一旦电网长期处在短路状况，很容易造成火灾事故，破坏关键元器件，或者引起人触电身亡等更严重的事故灾难。而高压直流断路器是最主要最有效的防止此类事故再产生的技术手段，而断路器在短路状况下的表现也会直接影响断电的有效性，所以检测断路器在短路条件下的特性也十分必要，可借此检测高压直流断路器的安全性，为今后的技术改进与应用提供了数据基础

[3]。

四、结语

高压直流电网比较于常规的供电系统有着明显优越性，可以进行多种能源供应、多种设备受电，是非常灵活的输电方案，并结合现有的电气技术，可以在未来的智慧电网建设中起到重要的作用。高压直流断路器作为解除高压直流输电系统常见故障时最有效、最直接的方法，必将具有很大的前景。而且，相对于外国的先进技术来说，中国的直流断路器尚有一定的技术提升空间，应继续加大对高压直流断路器的相关研究，为高压电路安全输电提供保障。

参考文献：

[1] 黄斌. 基于高压直流断路器的保护通道性能分析与研究[J]. 电力信息与通信技术，2022，20(7):93-101.

[2] 罗琛. 高压直流断路器技术要点研究[J]. 现代工业经济和信息化，2022，12(8):303-306.

[3] 刘明政. 高压混合直流断路器及其关键技术研究[D]. 山西:山西大学，2019.

第一作者：

姓名：俞正存；出身年月：1988.01 ；性别：男；籍贯：浙江，乐清；民族：汉；学历：本科；

现有职称：中级工程师；研究方向：电气；

单位及邮编：浙江德菱科技股份有限公司；325600

第二作者：赵文豪，浙江德菱科技股份有限公司；325600；

第三作者：吴艳，浙江德菱科技股份有限公司；325600；