一種機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路及方法與流程
2023-11-30 12:30:11 1
本發明屬於機械式高壓直流斷路器試驗領域，更具體地，涉及一種機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路及方法。
背景技術：
近年來，隨著柔性直流輸電技術的發展以及大功率電力電子技術的進步，高壓直流輸電以其獨特的優勢得到了重視和發展。高壓直流斷路器的研製成為建立與發展多端直流電網的主要瓶頸，因此近年來國內外越來越重視對高壓直流斷路器的研究。
根據高壓直流斷路器關鍵開斷器件的不同，可將其分為三類：機械式直流斷路器、全固態式直流斷路器、機械開關與固態開關相結合的混合式直流斷路器。
目前國內外無成熟的直流斷路器試驗標準，也沒有高壓直流斷路器直接試驗迴路，現有的試驗方案大多採用發電機電流源或LC振蕩電流源來模擬直流短路故障。由於機械式直流斷路器原理特點，其採用人工過零原理，換流迴路參數對機械式直流斷路器的試驗結果影響較大。採用傳統的交流合成迴路對直流斷路器進行試驗時，存在實際電流開斷過程電壓無法等效的問題，即電流過零後恢復電壓上升率達不到實際直流開斷過程中的恢復電壓上升率大小，因為換流迴路的大電容限制了恢復電壓的快速上升，採用傳統合成迴路試驗方法對直流斷路器進行試驗等效性不足。因此，研究一種能夠在開斷過程中對電流和電壓變化過程均等效模擬的機械式高壓直流斷路器試驗迴路具有重要的現實意義和應用價值。
目前已有的機械式高壓直流斷路器開斷試驗迴路主要有以下幾種：(1)交流發電機電流源試驗迴路；(2)傳統合成迴路試驗迴路。
技術實現要素：
針對現有試驗迴路對機械式直流斷路器試驗的不足，本發明提出了一種機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路及方法，其目的在於降低機械開關支路電流過零後換流迴路的等效電容值，提高恢復電壓上升率。
本發明提供了一種機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路，包括：電流源、輔助迴路、調頻迴路和電壓源；所述輔助迴路的一端與所述電流源連接，所述輔助迴路的另一端與機械式高壓直流斷路器中機械開關連接，所述調頻迴路與所述機械開關並聯連接，所述電壓源與所述調頻迴路並聯連接；所述輔助迴路用於在機械式高壓直流斷路器中機械開關電流過零後降低換流迴路的等效電容值，增大恢復電壓上升率且不改變機械開關電流過零前換流迴路參數；所述調頻迴路用於調節機械式高壓直流斷路器中機械開關電流過零後機械開關兩端恢復電壓的頻率和幅值。
更進一步地，輔助迴路包括：操作開關IB和電容C，所述電容C的一端作為所述輔助迴路的一端，所述電容C的另一端作為所述輔助迴路的另一端，所述操作開關IB與所述電容C並聯連接。
更進一步地，操作開關IB為可燃弧且可在電流過零時熄弧的開關。
更進一步地，電流源包括依次串聯連接的預充電電容Ci、電感Li、合閘開關CB和輔助斷路器AB。
更進一步地，調頻迴路包括：依次串聯連接的調頻電容C0和調頻電阻R0。
更進一步地，電壓源包括：依次串聯連接的觸發開關TR、電感Lu和預充電電容Cu。
更進一步地，工作時，合閘開關CB閉合，充電電容Ci和電感Li振蕩產生低頻交流電流，取低頻電流前1/4周波模擬直流短路故障電流；在低頻電流上升過程中，且當到達預先設定的時序時間後，操作開關IB首先分閘，直流斷路器試品機械開關TB經過預定延時後分閘，保持燃弧狀態，在低頻電流到達峰值前試品機械開關TB達到有效開距；當操作開關IB和試品機械開關TB達到有效開距後，直流斷路器換流迴路觸發開關K、電壓源觸發開關TR接收到合閘信號同時導通；預充電電容Cr和電感Lr振蕩產生反向高頻電流Ir，預充電電容Cu和電感Lu振蕩產生電流Iu；電流Iu流過試品機械開關TB，反向高頻電流Ir流過試品機械開關TB和操作開關IB；當試品機械開關TB中流過的正向電流大於操作開關IB中流過的正向電流，在相同反向高頻電流Ir情況下，操作開關IB首先熄弧斷開，此時Ir流過並聯電容C，保證試品機械開關TB中仍然能夠產生過零點；在試品機械開關TB電流過零熄弧後，電壓源與調頻迴路以及通過並聯電容C與換流迴路中Lr、Cr振蕩，產生恢復電壓並加載於試品中機械開關的兩端。
本發明還提供了一種基於上述的機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路的方法，包括下述步驟：
(1)合閘開關CB閉合，預充電電容Ci和電感Li振蕩產生低頻交流電流，取低頻電流前1/4周波模擬直流短路故障電流；在低頻電流到達峰值前，輔助斷路器AB接收到分閘信號，用於保護電流源。
(2)在低頻電流上升過程中，當到達預先設定的時序時間後，操作開關IB首先分閘，直流斷路器試品機械開關TB經過預定延時後分閘，保持燃弧狀態，在低頻電流到達峰值前試品機械開關TB達到有效開距；
(3)當操作開關IB和試品機械開關TB達到有效開距後，直流斷路器換流迴路觸發開關K、電壓源觸發開關TR接收到合閘信號同時導通；使得預充電電容Cr和電感Lr振蕩產生反向高頻電流Ir，預充電電容Cu和電感Lu振蕩產生小電流Iu；所述電流Iu用於流過試品機械開關TB，所述反向高頻電流Ir用於流過試品機械開關TB和操作開關IB；
(4)當試品機械開關TB中流過的正向電流大於操作開關IB中流過的正向電流時，在相同反向高頻電流Ir情況下，操作開關IB首先熄弧斷開，此時Ir流過並聯電容C，保證試品機械開關TB中仍然能夠產生過零點；
(5)在試品機械開關TB電流過零熄弧後，電壓源與調頻迴路以及通過並聯電容C與換流迴路中Lr、Cr振蕩，產生恢復電壓，加於試品機械開關兩端。
更進一步地，在步驟(1)之前還包括：合閘開關CB處於斷開狀態，輔助斷路器AB處於閉合狀態，觸發開關TR處於斷開狀態，操作開關IB處於閉合狀態，試品機械開關TB支路無電流流過。
本發明中，在操作開關IB斷開前，電容C被IB短路，因此不影響換流迴路產生的反向高頻電流幅值與頻率；在操作開關IB及試品機械開關TB斷開後，電容C與換流迴路表現出串聯關係，由於並聯電容C相比於換流迴路電容Cr極小，二者串聯會大大降低換流迴路的等效電容值，可以有效提高恢復電壓上升率。
本發明具有以下優點：
(1)由於並聯電容C的加入，大大降低機械開關電流過零後換流迴路的等效電容值。由於機械開關電流過零熄弧後，電壓源通過輔助迴路中的並聯電容C與機械式高壓直流斷路器中的換流迴路以及調頻迴路振蕩，因此降低換流迴路的等效電容值可以提高振蕩頻率，進而可以有效提高恢復電壓上升率。
(2)操作開關IB和試品機械開關TB電流過零熄弧前，並聯電容C被操作開關IB短路，不會影響換流迴路產生電流頻率和幅值，同時能夠在操作開關熄弧斷開後為反向電流提供續流通路，保證試品機械開關TB電流能夠成功過零。
(3)將直流斷路器機械開關和換流迴路分開試驗，機械開關進行電流開斷試驗，換流迴路進行靜態耐壓試驗。
附圖說明
圖1為本發明提供的機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路的原理框圖。
圖2為本發明提供的機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路電路圖。
圖3為具體試驗操作時序圖。
其中，1為電流源，2為試品—機械式高壓直流斷路器，3為輔助迴路，4為調頻迴路，5為電壓源；Ci為電流源電容，Li為電流源電感，CB為合閘開關，AB為輔助斷路器，C為並聯電容器，IB為操作開關，Cu為電壓源電容，Lu為電壓源電感，TR為電壓源觸發開關，C0為調頻電容，R0為調頻電阻。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明提供了一種機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路，包括：電流源、電壓源、調頻迴路和輔助迴路(操作開關並聯電容器)；輔助迴路串接在機械式高壓直流斷路器機械開關支路中。電壓源、調頻迴路均並聯於機械斷口兩端。
其中，電流源包括：預充電電容Ci、電感Li、合閘開關CB和輔助斷路器AB，其中預充電電容Ci、電感Li、合閘開關CB及輔助斷路器AB依次串聯。電壓源包括：預充電電容Cu、電感Lu和觸發開關TR，其中預充電電容Cu、電感Lu及觸發開關TR依次串聯。調頻迴路包括：調頻電容C0、調頻電阻R0，其中調頻電容C0及調頻電阻R0串聯。輔助迴路包括：操作開關IB和電容C，其中操作開關IB和電容C並聯。輔助迴路與機械式高壓直流斷路器機械開關串聯，直流斷路器串聯於電流源中，機械式高壓直流斷路器機械開關串接於電壓源，調頻迴路並聯於機械開關兩端。
在本發明實施例中，電流源主要功能是由電流源預充電電容Ci和電感Li振蕩產生低頻交流電流模擬直流短路故障；電壓源的主要功能是由電壓源預充電電容Cu和電感Lu振蕩為機械開關提供電流過零熄弧後的恢復電壓；調頻迴路的主要功能是通過改變R0和C0的值來調節恢復電壓的峰值和頻率；輔助迴路的主要功能是降低機械開關電流過零後換流迴路的等效電容值，提高恢復電壓上升率。
在本發明實施例中，輔助迴路中操作開關IB採用可燃弧並且可在電流過零時熄弧的開關，其主要作用是機械開關TB電流過零前將並聯電容C短路，避免對機械式高壓直流斷路器的換流迴路參數造成影響。輔助迴路中並聯電容C採用容值小、電壓等級高的電容器，具體參數可以根據不同試驗電壓等級確定，其主要作用是操作開關IB電流過零熄弧後，電容C串聯接入換流迴路，為反向高頻電流提供短暫的續流通路，在機械開關TB電流過零熄弧後，大幅減小換流迴路等效電容值，提高恢復電壓上升率。
為了更進一步的說明本發明實施例提供的機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路，現詳述其工作過程如下：
試驗前合閘開關CB處於斷開狀態，輔助斷路器AB處於閉合狀態，觸發開關TR處於斷開狀態，操作開關IB處於閉合狀態，試品機械開關TB支路無電流流過。
開始試驗後。首先合閘開關CB閉合，電流源預充電電容Ci和電感Li振蕩產生低頻交流電流，取低頻電流前1/4周波模擬直流短路故障電流。在低頻電流到達峰值前，輔助斷路器AB接收到分閘信號，用於保護電流源。
在低頻電流上升過程中，到達預先設定的時序時間，操作開關IB首先分閘，直流斷路器試品機械開關TB經過預定延時後分閘，保持燃弧狀態，在低頻電流到達峰值前試品機械開關TB達到有效開距。
操作開關IB和試品機械開關TB達到有效開距後，直流斷路器換流迴路觸發開關K、電壓源觸發開關TR接收到合閘信號同時導通。換流迴路預充電電容Cr和電感Lr振蕩產生反向高頻電流Ir，電壓源預充電電容Cu和電感Lu振蕩產生小電流Iu。電壓源電流Iu流過試品機械開關TB，反向高頻電流Ir流過試品機械開關TB和操作開關IB。
試品機械開關TB中流過的正向電流大於操作開關IB中流過的正向電流，在相同反向高頻電流Ir情況下，操作開關IB首先熄弧斷開，此時Ir流過並聯電容C，保證試品機械開關TB中仍然能夠產生過零點。在試品機械開關TB電流過零熄弧後，電壓源與調頻迴路以及通過並聯電容C與換流迴路Lr、Cr振蕩，產生恢復電壓，加於試品機械開關兩端。
在操作開關IB斷開前，電容C被操作開關IB短路，因此不影響換流迴路產生的反向高頻電流幅值與頻率；在操作開關IB及試品機械開關TB斷開後，電容C與換流迴路表現出串聯關係，由於並聯電容C相比於換流迴路電容Cr極小，二者串聯會大大降低換流迴路的等效電容值，可以有效提高恢復電壓上升率。
由於換流迴路中各元件均為靜態元件，因此可以對換流迴路進行靜態耐壓試驗，結合直流斷路器機械開關的電流開斷能力試驗，即可等效直流斷路器的整體試驗效果。
本發明涉及一種機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路及方法，能夠通過操作開關並聯電容C實現機械開關電流過零後提高恢復電壓的上升率，能夠更加有效等效直流斷路器實際直流開斷過程中的電流、電壓變化過程。
本發明提供的一種機械式高壓直流斷路器開斷等效試驗迴路，如圖1和圖2所示，包括電流源1、電壓源5、調頻迴路4以及輔助迴路3；輔助迴路3串接在機械開關支路中。電壓源5、調頻迴路4均並聯與機械斷口兩端。
電流源1通過預充電電容Ci、電感Li振蕩產生低頻電流，用於模擬直流短路故障電流。電壓源5由預充電電容Cu、Lu振蕩產生恢復電壓，在機械開關直流電流過零熄弧後施加於機械斷口兩端。調頻迴路4通過改變調頻電阻R0和調頻電容C0的大小，調整恢復電壓峰值及上升率。輔助迴路3包括：操作開關和與其並聯連接的電容C：試品機械開關電流過零前，操作開關燃弧時將電容C短路，不影響換流迴路頻率、電流幅值等參數；試品機械開關電流過零熄弧後，操作開關斷開，電容C接入迴路，降低換流迴路等效電容值，有效提高恢復電壓上升率。
具體試驗操作步驟如圖3所示，現結合圖3詳述如下：
試驗前合閘開關CB處於斷開狀態，輔助斷路器AB處於閉合狀態，觸發開關TR處於斷開狀態，操作開關IB處於閉合狀態，試品機械開關TB支路無電流流過。
試驗時首先對電流源電容Ci和電壓源電容Cu以及試品機械式高壓直流斷路器中的換流迴路電容Cr進行預充電，閉合電流源合閘開關CB，Ci、Li振蕩產生低頻交流電流。經過一定時間t1，輔助斷路器AB打開(t1由AB分閘速度確定)，用於保護電流源。經過時間t2，輔助迴路操作開關IB首先分閘(t2由IB分閘速度確定，目的是電流過零時刻IB能夠承購足夠大電壓而不被擊穿)。在到達預定的延時之後，機械式高壓直流斷路器的機械開關TB開始分閘。在電流源電流達到峰值前機械開關TB打開到額定開距，此時換流迴路觸發開關K及電壓源觸發開關TR同時觸發導通。反向高頻電流流過機械開關TB和操作開關IB，由於電壓源引入的小電流流過機械開關，造成操作開關IB電流過零時刻比機械開關電流過零時刻稍有提前。操作開關IB電流過零熄弧後，反向電流給輔助迴路並聯電容C充電，提供反向電流續流通道，使得機械開關TB電流能夠正常過零，由於操作開關IB與機械開關TB電流過零時間相差極小，因此可以忽略。機械開關TB電流過零熄弧後，電壓源與調頻迴路以及通過並聯電容C與換流迴路振蕩，由於並聯電容C容值小且與換流迴路串聯，可以大幅降低換流迴路等效電容值，有效提高機械開關TB電流過零後的恢復電壓上升率。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。