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：

1)无源补偿技术(自激振荡法)。采用这种技术的机械式高压直流断路器其开

断原理见图 8。利用电弧的负阻抗特性，在电弧通道上并联 LC 支路，电弧的动态特性将与并联电容、电感形成对主回路的负阻尼振荡。随着触头的运动和电流不

断地减小，电弧电压不断地上升，将进一步增大负阻尼振荡，不断增大的振荡电

路叠加在电弧电流上，使电弧电流强迫过零，从而实现高压直流电网中电流的开断。这种开断方式由于靠断路器自身的条件来开断直流电流，所以开断容量有限，通常仅适用于切除幅值不太大的直流电流。

3)混合开断技术。混合式高压直流断路器也采用有触点的机械开关与无触点的

电力电子器件相结合构成的混合直流开断技术，其开断原理见图 2。不同的是，

混合式高压直流断路器在设计时采用气体介质的机械开关和容量大、耐压等级高

的固态开关。

3.2高压直流断路短路开断的要求

目前，国际大电网会议已经成立了工作组对直流短路开断的工况和条件进

行专项研究，但尚未有正式出版和发行的针对高压直流断路器开断电流电网的试

验项目和试验方式的 IEC 标准或者国家标准。多数情况下，都是由用户根据实际

工程需求提出试验参数，试验站负责试验实施并通过试验来评估或验证产品的开

断性能。不同高压直流输电网中的直流断路器要根据系统的需求，必须在短时

间内开断正在上升的短路电流，以避免持续上升的短路电流对直流电网造成重大

威胁。特别地，基于 VSC-HVDC 的高压直流电网中的故障电流上升率要高于基于LCC-HVDC 的高压直流电网，这是由于 LCC-HVDC 直流输电技术具有限制故障电流

的能力，而VSC-HVDC 直流输电技术不具有限制故障电流的能力。高压直流断路

器在开断直流电流的过程中，需要自身创造电流过零点，同时耗散存储在系统电

感中的能量，并承担开断过程中和开断后的瞬态电压。由于电弧通道引入了并联

支路的高频电流而强迫过零，因此直流电流开断瞬间，断路器断口两端会承受很

高的过电压。由于过电压与断路器的开断特性、并联支路的振荡特性，以及主电

路与并联支路的暂态过程有关，所以在断路器两端通过并联避雷器来限制过电压

和吸收能量，以此来降低或消除对断路器和系统的危害。

3.3高压直流断路器电流开断试验回路设计

基于有源补偿技术的高压直流断路器直接试验回路见图 11。试验回路的主

要组成部分为：①电源回路，由主电容器 CS、电抗 L、间隙 GP1组成，为直流断路器提供短路试验电流及开断后的恢复电压；②有源补偿回路，由电容器 C0、

电抗 L0、间隙 GP2组成，为开断过程中电弧通道提供高频的振荡电流；③辅助

设备元件，辅助开关 AB1、辅助开关 AB2及避雷器 MOV

XIHARI 大容量试验站所设计的中低压直流断路器电流开断试验回路一期调试结

果为额定电压2 k V、额定短路电流 82.6 k A/峰值 126.2 k A，根据设备参数预期

的理论试验容量可以满足 4 k V/125 k A直流断路器的试验需求。进一步给出了高

压直流断路器电流开断的合成和直接试验回路，并给出了以直接试验回路进行试

验时的典型试验波形图。

参考文献

[1] 周万迪，魏晓光，高冲，等．基于晶闸管的混合型无弧高压直流断路器［J］．中国电机工程学报，2014，34( 18) : 2990-2996．

[2]魏晓光，罗湘，曹均正，等．一种直流断路器及其开断方法:

201310061174．4［P］． 2013-02-27．

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[4] 汤广福，罗湘，魏晓光．多端直流输电与直流电网技术［J］．中国电机工程学报，2013，33( 10) : 8-17．

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浅析高压直流断路器关键技术 摘要：随着可再生能源发电的发展及用户对电能要求的不断提高，传统交流电 网已难以满足可再生能源发电和负荷随机波动性对电网快速反应的要求。随着电 压源型高压变流器和高压柔性直流输电技术的迅速发展，国内外对直流输电网的 研究正日益深入。在输电领域，为适应新的能源格局，基于常规直流和柔性直流 的多端直流输电系统和直流电网技术成为未来的发展趋势，多端直流输电实现了 多电源供电、多落点受电，是一种更灵活、快捷的输电方式以，在此基础上如果 将直流输电线路在直流侧互联形成直流电网，可以有效解决新能源并网带来的有 功波动等问题，在未来城市智能配电网、微网等领域也具有较大优势，对我国未 来电网的建设和发展具有重大意义。 1引言 直流侧故障是直流输电系统必须考虑的一种故障类型，影响到设备参数的计 算和控制保护策略的设计。与交流系统相比，直流系统阻抗相对较低，故障渗透 速度更快，渗透程度更深，控制保护难度也更大。随着多端柔性直流输电系统的 发展，如何处理直流故障成为王程实践中需要考虑的关键问题。从原理上讲，直 流侧故障处理方法主要有3类：一是通过换流器闭锁实现故障的自清除；二是通 过交流断路器的动作使故障点与交流系统隔离；＝是通过直流断路器的动作使故 障点与交流系统隔离。采用晶闸管的常规两端直流输电系统即采用第一类方法， 在直流侧故障发生时，通过强制移相使两侧换流器进入逆变方式，使弧道电压、 电流迅速降低为零，实现直流侧故障快速消除，可用于易发化闪络等暂时性故障 的架空线路，而对于柔性直流输电系统，目前采用的两电平、电平换流器和模块 化多电平换流器均不具备闭锁能力，换流器新型拓扑尚未成熟，实际工程中仍采 用断开交流侧断路器来清除直流侧故障，但这样往往需要短时停运整个系统，导 致交流侧特别是弱交流系统收到较大冲击，增加了系统失稳的风险，同时降低了 柔性直流输电系统的可利用率。 2高压直流断路器的技术发展趋势 2.1机械式高压直流断路器的发展现状 机械式高压断路器通常采用将交流断路器（少油式断路器，真空式断路器等）改造之后用于直流系统之中以实现电路的开断。直流电不存在电流自然过零点， 灭弧困难。在低压小电流应用场合，可以通过增大电弧电压、分段串接限流电阻 或控制磁场气体发电断流等方法实现强迫直流开断熄弧。但在高压大电流应用场合，上述方法不可行，一般是对常规机械式交流断路器结构做适当改造，并增加 能够在开断直流电流过程中自动形成高频振荡电流过零点的振荡换流回路，以解 决机械开关切断高压大直流电流时的灭弧问题。在20世纪年70代初，美国公司 的专家就提出了采用振荡换流熄弧的机械式直流断路器基本结构其一般化拓扑结 构如图所示，主要由机械开关、振荡换流回路，以及能量吸收与过压放电回路等 部分构成。 图1 机械式直流断路器的基本拓扑结构 根据是否存在预先向振荡回路中的电容进行充电，机械式直流断路器的灭弧 方式一般分为自然振荡灭弧与强制振荡灭弧： （1）自然振荡灭弧 自然振荡灭弧直接利用电弧电压随电流增大而下降的非线性负电阻效应，利

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高压直流断路器的研究简述 文章综述了高压直流断路器的研究背景和应用现状，简要介绍了高压直流断路器在高压直流输电中的作用；高压直流断路器的主要性能指标以及高压直流断路器的种类及其原理结构；高压直流断路器灭弧方式的物理设计，重点说明了高压直流断路器的开断原理；对高压直流断路器进行了分类，并介绍了世界先进水平的高压直流断路器；总结了现今高压直流断路器研究的技术难题和未来的发展方向。 标签：高压直流输电；高压直流断路器；开断原理 1 概述 高压直流（HVDC）输电系统是由整流器、高压直流输电线路以及逆变器组成，其中整流器和逆变器统称为换流器。从结构上看，高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路[1]。自从1954年瑞典哥特兰的世界上第一项高压直流输电工程投运以来，高压直流输电技术已经随着电力电子技术的突飞猛进而飞速发展[2]。高压直流输电系统主要有两个作用[3，4，5]：一是将频率不同或频率控制策略不同的交流系统联接起来；二是增长输电距离以及增大输电容量。我国现有的特高压直流示范工程有三个，分别是南方电网公司的云广±800kV 特高压直流输电示范工程，国家电网公司的向上±800kV特高压直流输电示范工程和锦苏±800kV特高压直流输电示范工程。与交流输电比较，直流输电主要有以下优点：输电损耗小、线路造价低；电压压降小；直流输电不要求与电网同步；可分期建设，提高投资效益[7]。高压直流输电工程的结构中，直流断路器是至关重要的设备之一。研制高压直流断路器主要需要突破三个难点[8，9]：一是直流输电电流没有过零点，增加断路器的灭弧的难度；二是直流输电回路的电感很大，而需要开断的电流往往也很大，导致直流断路器需承受巨大的能量；三是直流输电的过电压高。 2 高压直流断路器的基本构成和开断原理 2.1 高压直流断路器的基本构成 开断直流电流一直是高压直流输电系统中的重大难题之一。主要原因是直流电流没有自然过零点，必须强迫电流过零才能熄弧。另外在开断电流过零，电弧熄灭时，直流系统中仍存储着巨大的能量需要释放，这部分能量在断路器两端可能产生很高的过电压从而造成开断失败。 高压直流断路器的基本构成如图1所示[9]。 高压直流断路器是由：QB装置，振荡回路，耗能元件组成。QB装置通常采用传统的真空断路器和SF6断路器改造而成，QB装置为了获取较低的电弧电压，需要加装辅助回路，包括有源辅助回路和无源辅助回路两种。振荡回路用于

高压直流断路器目前的研究概况

高压直流断路器目前的研究概况 1.前言 高压直流断路器的研制难点有三：一是直流电流不像交流电流那样有过零点，所以灭弧比较困难;二是直流回路的电感较大，所以需由直流断路器吸收的能量 比较大;三是过电压高。 高压直流断路器可以分为机械式高压直流断路器(mechanical HVDC circuit breaker)、固态高压直流断路器(solid-state HVDC circuitbreaker)与混合式高压直流断路器(hybrid HVDC circuit breaker)。 机械式直流断路器可以关断非常大的电流，并具有成本低、损耗小等优点， 但其开断速度较慢。 固态直流断路器开断速度迅速，但其相关损耗较高，且价格昂贵。 为克服两者的缺点，通过将机械式直流断路器和固态直流断路器集成在一个 装置上，从而形成混合式断路器。混合式直流断路器结合了机械开关良好的 静态特性与电力电子器件良好的动态性能，用快速机械开关来导通正常运行电流，用固态电力电子器件来分断短路电流，具有通态损耗小、开断时间短、无 需专用冷却设备等优点，是目前高压直流断路器研发的新方向，有着广阔的应 用前景。 下面将着重介绍混合式高压直流断路器的研究概况。 2 混合式高压直流断路器的研究概况 2.1 ABB--混合式高压直流断路器 2012 年，ABB 的混合式高压直流断路器技术被《麻省理工科技创业》评为2012 年度最重要的十大科技里程碑之一。该混合式高压直流断路器的基本结构如下图所示，主要包括机械式开关支路a(快速机械隔离开关b+负载转换开关

c)和半导体开关支路d(半导体断路器e+避雷器组f)。 -当直流线路正常运行时，半导体开关支路处于断开状态，快速机械隔离开关和负载转换开关导通并流过直流电流。 -当检测到直流线路发生短路时，首先导通半导体断路器，关断负载转换开关，线路上的电流转移到半导体开关支路上，负载转换开关承受半导体短路器的导 通电压。 -由于快速机械隔离开关此时流过的电流为零，快速机械隔离开关迅速打开。-当快速机械隔离开关打开后，半导体断路器开关断开，直流线路上的能量通过与半导体断路器并联的氧化锌避雷器吸收，短路电流下降。 ABB 所设计的半导体断路器单元设计图如下图所示，采用IGBT 作为半导体开关，并进行阀组串联。 该混合式高压直流断路器通过开断短路电流8.5kA 的短路试验，其开断时间 为5 毫秒。 2.2 ALSTOM--混合式高压直流断路器 2014 年阿尔斯通完成其混合式高压直流断路器原型产品的测试工作。该混合式高压直流断路器的基本结构如下图所示，主要包括旁路开关(UFD + PES)、半导体开关支路1(晶闸管+避雷器)、半导体开关支路2(晶闸管+电容器)和避雷 器组。 tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。仅供参阅！

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直流断路器技术发展综述 摘要：直流输配电与交流输配电相比，采用直流输配电网络不仅可将可再生 能源与传统能源广域互联，充分提高可再生能源的利用率，而且可降低线路损耗，增加传输容量与传输距离，同时解决系统同步运行的稳定性。高压直流断路器技 术是近年来解决直流输配电的热点技术之一。本文主要分析直流断路器技术发展，以及其应用防护体系，以供参考。 关键词：高压直流断路器；机械本体；机械电子 1高压直流断路器技术概述 从高压直流断路器发展史来看，高压直流断路器大体可分为3大类型：基于 机械开关（常规机械断路器）的高压直流断路器，基于电力电子器件的全固态高 压直流断路器，以及混合式高压直流断路器。直流断路器通常是由交流断路器改 造之后得到的，具有运行稳定、带载能为强、开断容量大、通态损耗小等优点。 2高压直流断路器专利发展分析 直流断路器由于分为机械本体和机械电子部分两大类，其中机械本体的发展 历史比较久远，从20世纪60年代开始，直流断路器的发展大致经历了以下3个 主要发展阶段：第1阶段（1966—1991年）为萌芽期。该阶段属于全球直流断路 器的萌芽阶段，其年原创申请量均处于200件以下，且各年申请量呈现波动状态，发展速度持续维持在较低水平，未形成规模效应。第2阶段（1992—2005年）为 发展期。全球直流断路器得以被具有前瞻性的研究机构与企业所逐步重视，其原 创专利申请量也随之呈现整体上升的趋势，基本进入一个良性稳定发展阶段。第 3阶段（2006年至今）为增长期。全球能量管理技术越来越受到业界关注，随着 全球各大公司和研究所的加大投入，该领域的专利申请量也出现明显快速增长， 每年全球范围内的原创申请量以几百的速度递增，且年均增长率基本保持稳定。ABB、三菱、东芝、日立、西门子、国家电网、伊顿、通用电气、平高、阿尔斯通。其中排在前三名的ABB、三菱、东芝3家企业申请量相差不大，均在800件

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高压直流断路器及其关键技术 随着电力系统的不断发展，高压直流断路器在保护电力系统安全运行方面发挥着越来越重要的作用。本文将详细介绍高压直流断路器的背景、概述、关键技术以及应用领域，帮助读者更好地了解这一重要技术。 高压直流断路器是直流输电系统中不可或缺的一部分，主要作用是在系统发生故障时迅速切断电流，保护电力系统免受损坏。随着直流输电技术的广泛应用，高压直流断路器的性能和可靠性成为了影响整个电力系统安全运行的关键因素。 高压直流断路器是一种能够在大气压或更高电压下切断直流电流的 开关设备。其基本原理是通过强制换流或机械开关的断开来实现电流的切断。 高压直流断路器可以根据不同的分类标准进行划分。根据操作性质，可分为电磁操作断路器和机械操作断路器；根据断口数量，可分为单断口断路器和多断口断路器。每种类型的断路器都有其独特的特点和适用场合。 高压直流断路器广泛应用于电力系统的各个领域，如工业、商业和家

用电器等。在这些领域中，它扮演着保护电路和防止故障扩散的重要角色。 开关技术是高压直流断路器的核心，其性能直接影响到断路器的切断能力和可靠性。目前，常用的开关技术包括真空开关、六氟化硫开关和金属氧化物电阻器等。 保护技术是高压直流断路器的另一个重要方面。在系统发生故障时，保护技术可以迅速切断电流，防止故障扩大。常用的保护技术包括电流保护、电压保护和功率保护等。 测量技术是高压直流断路器的重要组成部分，能够准确检测电路中的电流、电压和功率等参数。常用的测量技术包括电流互感器、电压互感器和功率因数表等。 控制技术是高压直流断路器的关键之一，它能够控制断路器的操作和保护动作。常用的控制技术包括继电器、接触器和微处理器等。 在工业应用领域中，高压直流断路器主要用于保护各种工业设备，如电机、变压器和电路等。它还可以保护工业生产过程中的各种自动化设备和流水线。 在商业应用领域中，高压直流断路器主要用于保护各种商业设施的电

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对直流系统中的各小型直流空开安秒特性进行测试

GDAS-1000直流短路器安秒特性测试系统 一、前言 直流短路器安秒特性测试系统是电力系统变电站、发电厂直流系统最常用的保护元件，其良好的性能和实用性得到人们的一致认可，并得到广泛的应用。目前的直流馈电网络多采用树状结构，从蓄电池到站内各用电设备，一般至少经过三级配电。随着发电厂、变电站控制负荷和动力负荷对直流电源的要求越来越高，其保护电器的过载保护、短路保护要求也越来越严格，它不能有任一的拒动和误动，尤其是越级误动，将会造成电力设备损坏和系统故障、甚至引发大面积停电事故。发生越级误动的情况主要是因为保护电器选择不合理和断路器性能不稳定等原因。由于直流空开的短路特性不合适，在直流系统运行过程中，当底层用电设备出现短路故障时，经常引起上一级直流空开的跳闸，也就是我们说的越级跳闸，从而引起其他馈电线路的断电事故，使故障进一步扩大，严重危及电网的安全运行。为了防止这种越级跳闸事故发生，有必要对直流系统中的各小型直流空开安秒特性进行测试，确定在不同短路电流下断路器的脱扣时间，有效的对小型直流空开安秒特性以及保护等级配合进行分析，从而核对直流系统上下级断路器之间的级差配合是否合理。 但目前电力系统中使用的小型直流空开的技术指标都是生产厂家在设备出厂时提供的数据。现场检修维护人员因不具备相应的检测手段，难以确认小型直流空开安秒特性是否符合要求。而且运行实践证明，随着时间的推移，设备的安秒特性也会发生变化，特别是投运3年后，设备的技

术指标发生偏移，典型后果是断路器特性发生变化，从而造成拒动或误动。 目前国内进行小型直流空开安秒特性检测的机构和生产厂家用于直流空开安秒特性检测的设备均为固定设备，如固定的大电流电源、大型负载电阻，体积大、重量大，不便于移动检测，分析仪表均为常规仪表如电压表、电流表、示波器等，接线复杂，使用不便，不适应各变电站移动检测需要。为解决现场对小型直流空开实际特性检测的问题，我们自行研制了一套适用于电力系统移动使用的直流空开检测的仪器“直流短路器安秒特性测试系统”。 该仪器综合长期现场运行经验和国内外多项先进技术而推出。可实现不同容量小型直流空开安秒特性检测和试验，能提供1~1000A恒定大电流，通过扩展可以输出更大电流。能够 测试不同短路电流下断路器脱扣时间，从而验证断路器安秒特性是否符合要求。本仪器采用最新高速微处理器，配备大屏幕液晶显示器，现场运行表明：该仪器功能完善、可靠性高、结构简单，操作方便。 二、装置结构： 2.1采用一体化设计，体积小，重量轻，适合各个变电站所移动使用。 2.2可以提供1~1000A恒定电流，能够单独完成小型直流空开安秒特性的全部测试，并保存、上传数据，也可以由PC机控制操作，由PC 机保存、处理数据，生成报表。 2.3可以由专用扩展端口外接扩展准备，扩大输出电流到2000A，实现更多规格小型直流空开安秒特性的测试。

中压直流断路器研究综述

中压直流断路器研究综述 摘要：随着分布式新能源的大规模发展，以新能源为主体的新型电力系统逐 步形成，为保证直流系统安全稳定运行，需要能在几毫秒内完成故障电流开断的 中压直流断路器。本文通过分析直流电网对直流断路器的性能要求，介绍了机械式、固态式与混合式三种典型直流断路器开断机理，概括近年来直流断路器的工 程应用，归纳并展望中压直流开断技术未来发展趋势。 0引言 构建以新能源为主体的新型电力系统，是“双碳”背景下我国能源电力转型 发展的方向。现代化直流配电系统在电能质量、可控性、新能源并网等方面具有 的明显优势使其成为新型电力系统的重要组成，因而得到了广泛关注和飞速发展[1-3]。 直流电网是一个低阻抗、低惯量系统，直流侧发生故障后，系统内储能元件 向故障点快速放电，几毫秒内便可达到额定电流的几十倍，严重危及直流电网安全。目前，国内外多个科研院所均开展有关中压直流开断技术的研究工作，本文 根据直流断路器的开断方式将现有中压直流开断技术进行分类，针对不同开断技 术对拓扑结构和工作原理进行深入分析，系统性介绍了直流断路器的工程应用案例，并对中压直流开断技术的发展趋势进行展望，为未来发展提供参考。 1直流开断挑战 直流电网以其独特优势成为新能源并网的主要发展方向。然而，直流电网建 设仍存在许多问题，其中最迫切需要解决且严重限制直流电网发展的是直流侧故 障电流的清除问题。直流系统中由于故障电流上升速度快，峰值电流高，且没有 自然过零点，与交流断路器相比，直流断路器往往需要在几毫秒内切断故障电流。因此，研究故障切除速度快、可靠性高的直流断路器一直是研究热点，国内外研 究机构对直流断路器也开展了大量研究，并提出了极高的要求：

500 kv耦合负压换流型混合式直流断路器原理与研制

500 kv耦合负压换流型混合式直流断路器原理与研制500 kv耦合负压换流型混合式直流断路器原理与研制 导言 在电力系统中，断路器是一种用于保护电力设备和维护系统稳定性的关键设备。然而，由于现有的交流断路器无法满足直流高压输电的要求，所以开发可靠的直流断路器一直是电力领域的一个重要课题。近年来，500 kv耦合负压换流型混合式直流断路器作为一项具有革命性意义的技术被广泛研究和开发。 一、原理与概述 500 kv耦合负压换流型混合式直流断路器是一种结合了耦合器和换流器的新型断路器。它采用换流器实现直流侧的电流打断和合闸，同时结合功能强大的耦合器，在交流侧实现对直流侧的电流高压隔离。通过这样的方式，500 kv耦合负压换流型混合式直流断路器实现了高压直流输电线路的可靠开断与闭合。 二、研制过程与技术难点 1. 研制过程 研制500 kv耦合负压换流型混合式直流断路器的过程可以分为四个主要阶段：技术研究、方案设计、原理验证和实验测试。

2. 技术难点 2.1 高压直流侧电流打断与合闸 500 kv耦合负压换流型混合式直流断路器的最大挑战是在高电压下实现直流侧电流的可靠打断和合闸。这要求设计合理的电流开断机构和闭合机构，并确保电流在合闸和开断过程中不引发电弧。 2.2 交流侧对直流侧的高压隔离 耦合负压换流型混合式直流断路器的另一个关键技术难点在于，交流侧需要对直流侧的高压进行可靠隔离。这要求设计出耐高电压的隔离机构，并保证隔离在合闸和开断过程中不发生击穿。 三、主要特点与性能分析 1. 主要特点 3.1 高压直流侧电流打断与合闸 500 kv耦合负压换流型混合式直流断路器通过换流器实现了高压直流侧的可靠打断和合闸。在打断过程中，断路器会将电流通过瞬态阻抗的变化实现电流的可靠打断。在合闸过程中，通过合理的操作方式将换流器逆变为电流合波灭弧，从而实现合闸。 3.2 交流侧对直流侧的高压隔离 耦合负压换流型混合式直流断路器通过耦合器实现了交流侧对直流侧的高压隔离。耦合器采用特殊的结构和材料，能够在高压下实现可靠

高压直流断路器研究简述

高压直流断路器研究简述 摘要：高压配电技术在近年来得到飞速地发展，直流输电与高压交流输电相比，具有费用低，线损较小，可靠性较高等特点。高压直流输电也因它独特的优点受 到国内外业界的高度重视。高压直流断路器的研发也成为人们关注的焦点之一。 直流系统中的短路故障的短路利用高压直流断路器来开断电流，具有安全，方便 的特点。高压直流断路器因此被人们大量所使用。 关键字：电弧；电流过零点；开断电流；振荡电路 高压直流断路器的研究中仍存在几大难点：由于直流系统电流没有自然的过 零点，因此产生的电弧就不容易被熄灭，开断电流时的灭弧问题就成了高压直流 断路器的一个研究难点。 1.直流断路器的开断原理 高压直流输电系统的重大难题是开断电流。由于直流电流无自然地过零点， 如果采用强制开断电流的方法，由于从机械开关动作的开始到回复耐压能力需要 几十毫秒的时间，因此达不到速动。而且强制开断电流会产生电弧，而且所产生 的电弧能量非常大，因此会严重的威胁设备的安全。 2.直流断路器的开断方法 2.1振荡式开断法。 其原理是利用交流断路器来进行电流的开断。这个过程需要强迫电流产生过 零点，此处需要用到振荡电路。为了保证电弧完全熄灭，不再发生燃弧，直流回 路的能量需要被吸收，这里可以用金属氧化避雷器进行吸收。振荡强迫电流过零 有两种方式。一种为自能振荡产生电流振荡利用电弧的负阻特性和自身的不稳定性。另一种是他能振荡方法，需要对电容进行充电，然后电容会在电感的作用下 向电弧的间隙进行放电，因此就会有振荡电流产生。 2.2增大电弧电压。 这种形式的直流断路器方便实现。主要应用在一些电压等级较低的场合，如 地铁等区域。对于特别高的直流电压并不适用，所以额定电压要求不超过3KV。 当断路器开断形成断口后，可通过磁吹方式把电弧引进栅片，通过拉长电弧来对 电弧电压提高。各个小电弧会产生多对电极，没段电弧都有接近电极的电压，通 过这种方法增大了电弧的电压。这应用了电弧的电压的的升高，可以使直流断路 器的开断性能提升。 3.高压直流断路器的研究 3.1电力电子直流断路器 由电力电子组成的断路器的优点是速度非常快，可以满足人们对快速开始断 的要求。而电力电子断路器。甚至可以将开端时间控制在数ms之内。但是电力 电子断路器也有缺点，例如其通态损耗会较高。而较高的损耗对于经济性来说是 不许的。而2012年世界上第一台混合式高压断路器研发成功。这种高压直流断 路器将电力电子设备与机械力学结合，其开断电流的速度甚至比人眨眼的速度快，可以迅速的开断直流输出电流。 其参数为：额定电流为2000A，电流的开断能力为9000A,额定电压为 320000A。 试验站对样机在进行了测试，样机通过了测试，通过开断时间小于2.5ms， 开断电流超过3000A的实验。此项技术还未公开。实验人员打算继续发展此项技术，争取可以使它成为高压直流断路器发展史的里程碑。

快速直流断路器研究现状与展望

快速直流断路器研究现状与展望 摘要：本文首先叙述了快速直流断路器的技术要求和研制难点，从空气式直流 断路器、直流固态断路器两种技术途径，分别介绍了其工作原理、优缺点和典型 研究成果，最后指出了快速直流断路器研发中需要重点关注的问题。 关键词：直流；直流断路器；固态断路器；研发现状 1快速直流断路器技术要求与研制难点 1）合闸状态下，承载工作电流，满足温升和绝缘指标；2）分闸状态下，提 供可靠的隔离断口，满足绝缘要求；3）接到分、合闸指令，可靠地执行分、合 闸动作；4）系统故障时，快速限流分断短路电流，分断时间符合系统指标，分 断过电压不超过系统绝缘的限定。快速直流断路器研制的难点之一在于直流电力 系统中电流不存在自然过零点，必须采用特殊的方法制造出电流零点。另一方面，由于直流短路电流上升快、峰值高，断路器必须在数ms的时间内完成分断任务，才能满足直流电力系统限流分断的保护需要。断路器分断过程通常包括故障检测、逻辑判断与脱扣、机构分闸（或固态开关触发）过电压建立与能量吸收耗散等多 个环节。快速直流断路器必须尽可能地减少各个环节的耗时，将全分断时间压缩 在几ms内，且短时间内完成大量的系统储能吸收耗散，研制难度非常大。 2快速直流断路器研究现状 2.1空气式直流断路器 空气式直流断路器是以交流断路器灭弧技术为基础变革而来，主要包括脱扣 系统、触头系统、操作机构和灭弧罩四大部分。脱扣系统的功能是故障发生时完 成检测与脱扣，保证断路器可靠分闸；触头系统的功能是长时间承载额定电流、 短时承受过载和故障电流，在分断过程中促进电弧弧根的转移、跳变；操作机构 的功能是实现断路器的分合闸动作，保证触头系统的分合闸速度要求，利于电弧 运动与转移，提供合闸保持力，保证触头系统的动热稳定性；灭弧罩的功能是拉伸、切割、冷却电弧，建立电弧电压，限制短路电流上升，实现分断任务。短路 发生后（t0），空气式直流断路器首先经历脱扣器脱扣耗时、机构机械延时，而 后触头分离（t1），通过磁吹或气吹等手段将触头间的电弧引入灭弧罩内，进行 切割、强烈的冷却、去游离，建立起与电源电压相反的电弧电压；当电弧电压大 于电源电压时，短路电流开始下降（t2），电弧持续燃烧一段时间（t1—t3），直至电流下降到零，断路器两端电压等于系统电压，分断过程结束（t3），如图1 所示。快速空气式直流断路器关键技术有：快速检测脱扣技术、高速分闸技术、 电弧快速转移与电弧电压建压技术等。 空气式直流断路器的优点是技术成熟，应用经验丰富，但存在分闸时间长、 限流效果差；分断时触头及灭弧栅烧蚀严重，电寿命低，维护保养成本高；额定 电压一般不超过5kV，不适用于更高电压等级直流分断等问题。另一方面，空气 式直流断路器分断过程中巨大的系统储能只能通过电弧燃烧进行释放，因而需要 预留较大的喷弧空间，分断能力也为此受限。空气式直流断路器难以满足中高压、大容量直流电力系统快速性的限流保护需求。 2.2直流固态断路器 直流固态断路器故名思议由电力电子器件（如SCR、IGBT、IGCT、ETO等）作为主控开关，配以测控单元和缓冲吸能组件等共同组成。测控单元利用传感器或

探究高压直流断路器开断试验方法

探究高压直流断路器开断试验方法 高压直流断路器开断试验方法是用来测试断路器在高压直流电路中的开断性能的一种 测试方法。下面将详细介绍高压直流断路器开断试验方法。 1. 准备测试设备：首先需要准备好高压直流电源和相应的测试仪器，如电流表、电 压表、时间测量仪等。 2. 设置试验参数：根据需要进行试验的高压直流电路的工作电压和工作电流等参数，设置好试验的电流值、电压值和时间间隔等。 3. 进行预试验：在正式进行开断试验之前，可以进行一次预试验，以确保测试设备 和试验样品的正常工作状态。预试验主要包括对试验样品的电流和电压进行逐渐升高和降 低的过程。 4. 进行正式试验：在预试验确认无误后，开始进行正式的开断试验。将试验样品连 接到高压直流电源上，并调整电流和电压到试验参数设定的数值。然后，将试验样品的开 关关闭，使电流通过试验样品，直到达到设定的电流值。接下来，通过电流表和电压表等 测试仪器，记录试验期间的电流、电压、时间等数据。 5. 观察和分析试验结果：在试验过程中，观察试验样品的开关情况和试验过程中的 现象变化，如是否出现过电弧、卡闸等现象。对试验过程中记录的电流、电压、时间等数 据进行分析，判断试验样品的开断性能。 6. 分析试验数据：根据试验数据和观察结果，对试验样品的开断性能进行评价。如 果试验样品的开断性能满足要求，说明试验样品的设计和制造符合标准，可以投入使用。 如果试验样品的开断性能不达标，需要对试验样品进行改进或调整，直到达到要求。 需要注意的是，在进行高压直流断路器开断试验时，要严格按照安全操作规程进行操作，以确保试验的安全性。还需要根据试验需求和设备特点，选择合适的试验方法和试验 参数，并进行充分的试验前准备工作。

基于IGBT复合模型的直流断路器瞬态特性研究

摘要 随着高压直流输电和直流电网技术的发展，研究可靠性高、经济性好的直流断路器变得越来越迫切。然而在目前关于直流断路器拓扑的研究中，采用的大都是IGBT理想开关模型，忽略了开关过程中IGBT的瞬态电气特性，从而无法得到足够精确的结果。首先介绍了基于二极管桥式子模块级联的混合式直流断路器的分断过程，然后对其分断期间的瞬态电气特性进行了理论分析，之后对比IGBT的两种模型并建立了精确的IGBT复合模型，最后在Simulink上搭建直流断路器故障分断仿真平台，并分别采用基于IGBT复合模型与理想模型的直流断路器进行仿真。仿真结果表明，IGBT复合模型能反映出器件微秒级开断特性，与理想模型相比，对直流断路器分断瞬态电气特性的仿真结果更加精确。采用IGBT 复合模型有助于深入研究直流断路器瞬态电气特性。 关键词:直流断路器；级联桥式拓扑；瞬态电气特性；IGBT复合模型 0 引言 随着高压直流输电及直流电网技术的发展，相关的直流设备也得到越来越多的关注。其中，直流断路器作为关系到直流电网安全稳定运行的关键设备，近年来逐渐成为业界的研究热点[1] 。 直流电网故障电流上升较快，然而直流故障电流没有自然过零点，因此如何开断故障电流是直流断路器设计的难点。各国学者提出了一系列不同结构的直流断路器拓扑[2-11] 。 文献[6]详细分析了自然换流型断路器的换流过程与电气特性，其优点是减小正常导通时的功率损耗，缺点是不够快速、灵活。

文献[7]在主支路中加入了负荷换流开关，实现了机械开关快速、可控、无弧开断，其转移支路利用IGBT直接串联方案，在高电压应用场景所需器件数目多、成本高，且对均压技术要求很高。 文献[8]提出了子模块（SM）的概念以代替IGBT直接串联，并分析了全桥子模块级联的情况，有利于实现IGBT间的动态均压，但IGBT数目是文献[7]的两倍，未能较好地解决成本问题。相比之下，SM的第二种结构—二极管桥式结构，将每个子模块中的IGBT 数量由4个降为1个，总数量仅为文献[7]的一半。 文献[9]和文献[10]通过改变拓扑结构，将转移支路接地，从而使双向开断共用一套转移支路，在仍采用IGBT直接串联的同时，节省了转移支路中的反向串联IGBT，同样使总成本减少了一半。文献[11]针对换流站多条出线的应用情况，将转移支路并联到换流站旁边并接地，实现了多条出线共用一套转移支路，使成本大大降低。 然而，在现有直流断路器拓扑研究中，往往采用理想的IGBT开关模型，忽略了开关过程中IGBT的瞬态电气特性，从而使得在对直流断路器半导体器件的详细研究中得到的结果不够精确。 本文以一种基于二极管桥式子模块级联的混合式直流断路器拓扑结构为研究对象，首先介绍了其开断原理和动作时序，并对直流断路器开断全过程的瞬态电气特性进行理论分析，然后分析了IGBT的两种模型，分别搭建了基于IGBT复合模型和理想模型的直流断路器仿真电路，通过对比仿真结果，证明了IGBT复合模型有助于更加精确地反映直流断路器分断瞬态电气特性。 1 桥式直流断路器拓扑结构

直流断路器原理

直流断路器原理 引言 直流断路器是一种用于控制和保护直流电路的电气设备。它的主要功能是在电路中断开或闭合电流通路，以防止过载、短路和地故障等情况发生。本文将详细解释与直流断路器原理相关的基本原理。 直流断路器的组成 直流断路器主要由以下几个部分组成： 1. 断路器开关：用于手动控制断开或闭合电流通路。 2. 熔断器：用于保护电路免受过载和短路等故障的损害。 3. 触点系统：用于实现断开或闭合电流通路的功能。 4. 过载保护装置：用于检测并保护电路免受过载情况的影响。 直流断路器工作原理 直流断路器的工作原理可以大致分为两个方面：过载保护和短路保护。 过载保护 当直流电源供应给负载时，如果负载所需的电流超过了设定值，就会触发过载保护装置。过载保护装置通常使用热敏元件来检测负载电流是否超过了设定值。当负载电流超过设定值时，热敏元件会发生温度升高，从而触发保护装置，使断路器开关跳闸，断开电流通路。 短路保护 当直流电源供应给负载时，如果电路中出现了短路故障，即电源正极和负极之间产生了直接连接的低阻抗路径，就会触发短路保护。短路保护通常使用磁性元件来检测短路故障。磁性元件会感应到通过它的电流，并产生一个强大的磁场。当磁场达到一定程度时，它将吸引触点系统中的触点，使断路器开关跳闸，断开电流通路。

直流断路器的动作特性 直流断路器的动作特性是指在不同工作条件下断路器的动作时间和动作电流之间的关系。根据国际标准IEC 60947-2，直流断路器的动作特性分为三种类型：B型、C 型和D型。 B型动作特性 B型动作特性适用于对于高起始电流要求不太严格且对于人身安全的要求较高的电路。B型断路器在1至3倍额定电流范围内具有较长的动作时间，以确保对瞬时过载和短暂故障的可靠保护。 C型动作特性 C型动作特性适用于对于高起始电流要求较严格但对于人身安全的要求不太严格的电路。C型断路器在3至5倍额定电流范围内具有中等动作时间，既能可靠保护负载，又能限制短路故障造成的损害。 D型动作特性 D型动作特性适用于对于高起始电流要求非常严格的电路。D型断路器在5至10倍额定电流范围内具有最短的动作时间，能够迅速切断电流通路，并可靠保护负载免受损坏。 直流断路器的选择和应用 选择合适的直流断路器需要考虑以下几个因素： 1. 额定电压：直流断路器应与所需保护的直流电源相匹配。 2. 额定电流：直流断路器应能够承受并保护所需负载的额定电流。 3. 动作特性：根据实际需要选择合适的动作特性，以确保对负载的可靠保护。 4. 安装环境：直流断路器应根据安装环境的要求进行选择，如温度、湿度和振动等。 直流断路器广泛应用于各个领域，包括工业控制系统、电力系统、交通信号系统和太阳能发电系统等。它们在电路中起到了关键的控制和保护作用，确保电路的正常运行并防止潜在的故障。

直流断路器在不同时间常数下临界负载电流的测试及分析

直流断路器在不同时间常数下临界负载电流的测试及分析孔祥斌;矫财东;赵亮;海荣 【摘要】针对直流断路器存在临界负载电流难灭弧的问题,对不同时间常数与临界负载电流的关系进行了分析。结合直流断路器相关标准,进行了临界负载电流测试试验。根据测试结果,总结了负载临界电流的变化规律,可供各相关人员参考。【期刊名称】《电器与能效管理技术》 【年(卷),期】2018(000)022 【总页数】5页(P77-81) 【关键词】直流断路器;临界负载电流;时间常数;燃弧时间 【作者】孔祥斌;矫财东;赵亮;海荣 【作者单位】[1]浙江方圆电气设备检测有限公司,浙江嘉兴314001;[1]浙江方圆电气设备检测有限公司,浙江嘉兴314001;[1]浙江方圆电气设备检测有限公司,浙江嘉兴314001;[1]浙江方圆电气设备检测有限公司,浙江嘉兴314001; 【正文语种】中文 【中图分类】TM561 0 引言 直流断路器作为直流系统中的过流、短路保护部件,在光伏发电站的直流汇流箱和配电柜系统、轨道交通和电力机车直流供电系统、船舶变配电及动力系统等直流系统中承载电流、切断异常电流,对电路的相关保护和隔离起着重要作用。

所谓临界负载电流是指,在使用条件范围内燃弧时间明显延长的分断电流[1],常见于直流供电系统。这是因为开断交流电路时,交流电流的自身过零点作用,电弧的临界长度要比开断相同电流的直流长度小。开断直流电弧比开断同等容量的交流电弧难,在临界电流处更难开断,且时间常数变化临界电流也发生变化。本文结合临界负载电流和时间常数的相关关系,实际测试直流断路器在不同时间常数下,临界负载电流的变化情况,进行相关分析与研究,以供相关专业人员参考。 1 临界负载电流分析 因为直流塑壳断路器大多数采用空气自然灭弧,存在临界负载电流。灭弧方式通常有两种:一种是常规开闭,利用触头把电弧轴向拉开,同时导电回路产生磁场,使电弧弯曲拉伸,沿垂直于弧轴的方向拉长电弧,不仅使电弧长度增加,还使其产生横向运动,受到空气冷却达到灭弧效果;另一种是电弧在自身电动力或磁吹线圈的磁场影响下,被磁力拉入灭弧罩内使电弧迅速熄灭[2]。当某个范围内的小电流在常规开闭时无法熄灭电弧,且磁吹力较小,电弧运动的推动力较弱,灭弧室又没法发挥作用,此时电弧会长时间停滞并持续燃烧,使开断时间明显延长甚至开断失败。这也就是临界负载电流产生的原因。 直流断路器合/分直流回路的等效电路如图1所示。 图1 直流断路器合/分直流回路的等效电路 根据图1,当触头分断产生电弧时,该回路可列出下列微分方程: (1) 式中: Uh——直流断路器两端电压; Ih——回路电流; E——试验直流源; R——阻性负载;