混合式高压直流断路器快速机械开关动态均压测试系统的制作方法

本发明属于高电压与绝缘技术领域，特别涉及一种用于混合式高压直流断路器快速机械开关动态均压测试系统。

背景技术：

在柔性直流输电技术领域，高压直流断路器作为核心设备之一，主要用作系统主保护装置。当线路发生故障时，直流断路器需要在数毫秒内完成故障电流开断，并快速故障线路的隔离及重合闸，其可靠性直接影响了柔性直流电网的安全稳定运行。但是，由于直流断路器无电流过零点，无法类似交流断路器利用电流过零点实现开断，必须人工创造电流零点。

目前，高压系统及超高压系统所采用的直流断路器通常采用混合式拓扑结构，利用主通流支路、转移支路及耗能支路三部分并联在一定时序下的内部换流，创造电流零点以实现直流开断。其中，主通流支路由快速机械开关和主负荷阀组串联构成，用于导通直流系统电流；转移支路由多级转移支路子模块串联构成，用于短时承载直流系统短路电流，并通过换流将电容串入故障回路，建立瞬态开断电压；耗能支路由多个避雷器组并联构成，用于抑制开断过电压和吸收线路及平抗储存能量。其工作原理如下：

a)系统正常运行时，系统电流经快速机械开关和主负荷阀组导通；

b)需开断系统直流或者短路故障电流时，触发转移支路串联的多级转移支路子模块，然后闭锁主支路中主负荷阀组，电流被强迫转移至转移支路中，快速机械开关电流过零分断；

c)快速机械开关能够耐受系统过电压，闭锁转移支路串联的多级转移支路子模块，电流经耗能支路消耗吸收，实现系统直流或短路故障电流的有效开断。

其中，快速机械开关为混合型直流断路器的无弧开断部分，正常运行时主要作用是通流；当出现短路故障情况时，需要快速机械开关在毫秒级时间内建立绝缘距离，承受断路器分断过程中的瞬态分断电压，实现故障的快速隔离。工程用混合式高压直流断路器高速机械开关采用多个真空灭弧室多断口串联技术，降低单个断口的耐压，减小单个断口的行程，从而显著缩短快速机械开关分闸时间，提高直流断路器整体分断速度。但不容忽视的是，基于多断口串联技术的快速机械开关受串联真空灭弧室对地电容、开关动作同期性以及绝缘开距一致性的影响，可能导致真空灭弧室串联断口间的分压不均。2016年底，我国首台200kv高压直流断路器在舟山多端柔直工程中应用调试时，曾出现快速机械开关中两台真空灭弧室延时1.5s动作导致合闸不成功的问题。

若快速机械开关各真空灭弧室分断时间超期现象严重、绝缘开距不一致时，先动作真空灭弧室的绝缘开距大，承受瞬态分断电压小，而后动作的真空灭弧室绝缘开距小，承受瞬态分断电压反而大，容易造成后动作的真空灭弧室断口击穿放电，随即快速机械开关两端的瞬态分断电压将全部施加于先动作的真空灭弧室两端，灭弧室总数明显减少后或导致先动作灭弧室继而发生击穿放电。因此，快速机械开关的动态均压问题严峻，有必要开展混合式高压直流断路器快速机械开关动态均压测试，全面考核混合式高压直流断路器开通与关断的可靠性。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种混合式高压直流断路器快速机械开关动态均压测试系统，所述系统包括：多个阻容分压器、多条同轴电缆及一信号处理器；

各所述阻容分压器的高压臂的高压端分别联结混合式高压直流断路器快速机械开关各真空灭弧室的高压端，各所述阻容分压器的低压臂的低压端接地电位，用于测量各真空灭弧室的高压端对地的电压信号；

各所述阻容分压器的高压臂的低压端和低压臂的高压端分别等电位联结各所述同轴电缆的一端，所述同轴电缆的另一端与所述信号处理器连接，用于将所述阻容分压器检测到的高压信号转换成低压信号并传送至所述信号处理器；

所述信号处理器用于根据所述同轴电缆传来的低压信号对各真空灭弧室高压端对地电压进行差值运算，以获取两相邻阻容分压器之间的真空灭弧室在各时刻所承受的电压信号。

在一个实施例中，所述系统还包括一数字存储示波器，与所述信号处理器联结，用于获取所述真空灭弧室在各时刻所承受的电压信号并显示。

在一个实施例中，所述系统还包括一隔离变压器，供电电源通过所述隔离变压器为所述数字存储示波器供电。

在一个实施例中，所述同轴电缆的一端通过同轴插头联结所述阻容分压器的低压臂高压端的金属屏蔽盒，另一端也通过同轴插头联结所述信号处理器。

在一个实施例中，所述同轴电缆为双屏蔽电缆。

在一个实施例中，所述多个阻容分压器、多条同轴电缆的数量均与所述快速机械开关中包含真空灭弧室的数量相同。

在一个实施例中，所述阻容分压器的数量为16个，所述同轴电缆的数量为16条。

在一个实施例中，所述阻容分压器的频率响应上限值为10mhz。

利用本发明实施例提出的混合式高压直流断路器快速机械开关动态均压测试系统，可准确获知混合式高压直流断路器快速机械开关在分断过程中每个真空灭弧室两端电压的变化情况，实现对于真空灭弧室动态均压百分比的检测，有效判断快速机械开关的分闸同期性和合闸同期性是否分别满足小于0.2ms和1.5ms的标准要求，从而保障混合式高压直流断路器快速机械开关动作可靠性。

进一步地，本发明实施例中还设置有数字存储示波器，可以利用数字存储示波器直观地观测每个真空灭弧室两端承受的电压波形，并且还可以存储真空灭弧室两端承受的电压波形以供调用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为当发生单端接地短路故障时，混合式高压直流断路器的拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例混合式高压直流断路器快速机械开关动态均压测试系统示意图；

图3为数字存储示波器16显示的两个真空灭弧室2两端电压波形示意图。

附图标号：1-快速机械开关；2-真空灭弧室；3-主支路换流器功率模块；4-主负荷阀组；5-主通流支路；6-混合式高压直流断路器发生单端接地短路故障；7-转移支路换流器功率模块；8-转移支路子模块；9-转移支路；10-压敏电阻避雷器；11-耗能支路；12-阻容分压器；13-同轴电缆；14-信号处理器；15-数字存储示波器；16-隔离变压器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于理解本发明实施例，本发明实施例提供了一种混合式高压直流断路器的拓扑结构，如图1所示。该混合式高压直流断路器设备由主通流支路5、转移支路9及耗能支路11并联组成。转移支路9由转移支路子模块8串联组成，转移支路子模块8由多级转移支路换流器功率模块7串联组成。耗能支路11由多级压敏电阻避雷器10串联组成。主通流支路5由快速机械开关1和主负荷阀组4串联构成，其中，快速机械开关1由十六个真空灭弧室2串联组成，主负荷阀组4由多级主支路换流器功率模块3串联组成。

当混合式高压直流断路器发生单端接地故障6时，该混合式高压直流断路器所在系统的保护设备检测到异常后向该混合式高压直流断路器送出动作信号，混合式高压直流断路器接收到保护动作命令，随即主负荷阀组4闭锁，同时转移支路9中的转移支路换流器功率模块7导通，待短路故障电流完全转移至转移支路9后，主通流支路5中的快速机械开关1接到分闸命令，开始无弧分闸，并在转移支路9中转移支路换流器功率模块7闭锁之前建立起能够承受一定开断过电压的绝缘开距，随即快速机械开关1的各真空灭弧室2两端承受高压。

为了实现对混合式高压直流断路器快速机械开关的动态均压测试，全面考核混合式高压直流断路器开通与关断的可靠性，本发明的实施例提供了一种混合式高压直流断路器快速机械开关动态均压测试系统，其结构如图2所示，用于在混合式高压直流断路器快速机械开关分断过程中监测快速机械开关1各真空灭弧室2两端电压的均匀性。

需要说明的是，上述的混合式高压直流断路器发生单端接地故障6仅为本发明的一实施例，只要系统发生直流故障(例如单端接地短路故障、单端对金属回线短路故障、双极短路故障等)导致直流断路器动作时，均可应用本发明下述实施例中的动态测试系统来观测快速机械开关1各真空灭弧室2在分闸过程中的动态均压特性是否满足要求。

本发明实施例提供的动态均压测试系统主要包括多个阻容分压器12、多条同轴电缆13及一信号处理器14。各阻容分压器12的高压臂的高压端分别联结混合式高压直流断路器快速机械开关各真空灭弧室的高压端，各所述阻容分压器12的低压臂的低压端接地电位，用于测量各真空灭弧室2的高压端对地的电压信号。

通常地，上述的阻容分压器12、同轴电缆13的数量均与快速机械开关1中所包含的真空灭弧室2的数量相同。例如，本发明实施例图1示出的混合式高压直流断路器的快速机械开关1中包含16个真空灭弧室，故本发明实施例提供的动态均压测试系统中也应包含16个阻容分压器及16条同轴电缆。

各阻容分压器12的高压臂的低压端和低压臂的高压端分别等电位联结各同轴电缆13的一端，同轴电缆13的另一端与信号处理器14连接。同轴电缆13用于将阻容分压器12检测到的高压信号转换成低压信号并传送至信号处理器14。

信号处理器14用于根据同轴电缆13传来的低压信号对各真空灭弧室2的高压端对地电压进行差值运算，以获取两相邻阻容分压器12之间的真空灭弧室2在各时刻所承受的电压差信号。

在一个实施例中，阻容分压器12的频率响应上限值为10mhz，即可满足精确测量的要求。

通常地，本发明实施例中的同轴电缆13选用双屏蔽电缆，其一端通过同轴插头连接阻容分压器12低压臂的高压端的金属屏蔽盒内，以减少空间电磁波辐射引起的干扰；其另一端也通过同轴插头联结信号处理器14，用于将阻容分压器12检测到的高压波形信号转换成低压波形信号并传送至信号处理器14中。

在一个实施例中，上述的动态均压测试系统还包括一数字存储示波器15，该数字存储示波器15与信号处理器14联结，用于获取所述电压差信号并显示。信号处理器14通过同轴电缆13一端联结阻容分压器12的低压臂的高压端，另一端联结数字存储示波器15，用于将阻容分压器12测量的各真空灭弧室2高压端对地的电压波形在每个时刻进行差值运算，得到相邻两个阻容分压器12之间的真空灭弧室2在对应时刻所承受的电压信号，并将结果传送至数字存储示波器15上显示。图3为在数字存储示波器15上显示的的两个真空灭弧室2两端的电压波形示意图。在图3中，横坐标是直流断路器动作时间t(单位为毫秒)，纵坐标是测量得到的各灭弧室2两端所承受的电压信号的波形图。其中，在t0时刻(即转移支路9中转移支路换流器功率模块7闭锁时刻)之前，快速机械开关1各真空灭弧室2建立起能够承受一定开断过电压的绝缘开距；在t0时刻，转移支路9中的转移支路换流器功率模块7闭锁，电流从转移支路9转移至耗能支路11中；t0时刻后，快速机械开关1的各真空灭弧室2两端开始承受高压，u1和u2是其中两个真空灭弧室2所承受的电压在数字存储示波器16显示的波形。

信号处理器14根据下式对各真空灭弧室2的高压端对地电压进行差值运算，来获取各真空灭弧室2所承受的电压值：

δui+1(t)＝ui+1(t)-ui(t)

其中，δui+1(t)为第i+1个真空灭弧室在t时刻承受的电压；i+1表示各真空灭弧室的序号，i为0至15整数，当i＝0时，u0(t)＝0，当i＝15时，u16(t)为图1中所示u(t)。

通常地，为了避免供电电源测引入电磁干扰，本发明实施例中的动态均压测试系统还包括隔离变压器16，供电电源通过隔离变压器16为数字存储示波器15供电。

本发明实施例提出的混合式高压直流断路器快速机械开关动态均压测试系统，利用数字存储示波器15观测每个真空灭弧室2两端承受的电压波形，可准确获知混合式高压直流断路器快速机械开关在分断过程中每个真空灭弧室2两端电压的变化情况，实现对于真空灭弧室2动态均压百分比的检测，有效判断快速机械开关1的分闸同期性和合闸同期性是否分别满足小于0.2ms和1.5ms的标准要求，从而保障混合式高压直流断路器快速机械开关动作可靠性。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。