一种直流断路器用机械开关的试验电路的制作方法

本发明涉及一种直流断路器用机械开关的试验电路，属于高压直流输电技术领域。

背景技术

基于机械开关与电力电子开关为核心组件的混合式直流断路器，具有开断速度快、运行损耗小、控制灵活可靠等特点，同时也是目前行业研究的热门产品。然而，混合式直流断路器中的机械开关在短路电流或直流电流分断过程中，行程未到位前，会承受暂态电压。在系统中的详细运行情况为：正常运行工况下，机械开关导通系统额定直流电流，开关触头温度处于热运行状态；当直流断路器接收到分断指令后，分断过程中，机械开关将耐受一定的电流应力和暂态电压应力，分断过程应力如图1所示。分断过程应力变化如下：

0～t0：直流断路器处于正常运行状态，机械开关闭合，通流系统直流电流；

t0时刻：系统短路发生；

t0～t2：直流断路器监测系统短路电流发生；在t1时刻启动直流断路器机械开关分断命令，在t2时刻，直流断路器电流降低到零；

t3时刻：机械开关端间开始耐受电压应力；

t4时刻：电压上升到峰值后开始下降；

t5时刻：机械开关端间电压降到系统额定直流电压并稳定。

为验证机械开关设计的合理性和正确性，准确反映机械开关在直流断路器热状态下分断过程的动态绝缘性能，亟待开展直流断路器用机械开关动态绝缘试验等效试验技术的研究工作。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种直流断路器用机械开关的试验电路，用于解决直流断路器机械开关在热应力、电流应力条件下分断过程中的动态绝缘特性测试问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直流断路器用机械开关的试验电路，包括用于连接机械开关试品的正负连接端以及并联连接的直流电源模块、振荡电路和冲击电压发生电路，所述直流电源模块、振荡电路和冲击电压发生电路的两并联端对应连接所述正负连接端。

本发明的有益效果是：采用直流电源模块给试品机械开关提供稳定直流电流，向机械开关提供分断前额定电流应力，等效机械开关正常运行工况；采用振荡电路产生高频振荡电流，向机械开关提供分断时刻的高频电流应力，该高频振荡电流与流过机械开关的直流电流反向叠加产生过零点，使机械开关分断过程中电流过零自动熄弧，采用冲击电压发生电路产生满足一定波形参数的暂态冲击电压，等效机械开关在分断过程中耐受的断口间暂态电压应力，有效实现了机械开关的动态绝缘测试，试验方法简单、应力等效性强。

进一步的，为了产生暂态冲击电压，所述冲击电压发生电路包括冲击电压发生器本体电路。

进一步的，为了实现对暂态电压波形参数的调节，所述冲击电压发生器本体电路包括波头电阻、波尾电阻、本体冲击电容和三间隙球，所述本体冲击电容与三间隙球串联后的两端与波尾电阻并联，再串联连接所述波头电阻。

进一步的，为了实现振荡电路和直流电源模块与冲击电压发生电路间电流通路隔离，所述冲击电压发生电路还包括与所述冲击电压发生器本体电路高压输出端串联的隔离球隙。

进一步的，为了产生高频振荡电流，所述振荡电路串设有振荡电容和振荡电感。

进一步的，为了实现高频振荡电流向机械开关叠加时刻的控制，所述振荡电路中还串设有晶闸管阀。

进一步的，为了隔离机械开关分断过程中耐受的端间暂态电压，保护直流电源免受机械开关暂态电压冲击，所述直流电源模块包括串联连接的恒定直流电源与二极管隔离阀。

附图说明

图1是机械开关分断过程应力图；

图2是本发明直流断路器用机械开关的试验电路的电路拓扑结构图；

图3是本发明直流断路器用机械开关的试验电路的逻辑控制时序图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供了一种直流断路器用机械开关的试验电路，其电路拓扑结构示意图如图2所示，包括用于连接机械开关试品的正负连接端以及并联连接的直流电源模块02、振荡电路03和冲击电压发生电路04，该直流电源模块、振荡电路和冲击电压发生电路的两并联端对应连接正负连接端。

其中，直流电源模块(恒定直流电源系统)02包括串联连接的恒定直流电源14与二极管隔离阀05，该恒定直流电源14用于对机械开关施加恒定的直流电流，使机械开关处于热运行状态，使机械开关触头温升稳定到设定值，等效机械开关在直流输电系统中的正常通流系统直流电流工况；该二极管隔离阀05用于隔离机械开关分断过程中耐受的端间暂态电压，保护恒定直流电源14免受机械开关暂态电压冲击。

振荡电路03为lc振荡电路，包括串联连接的振荡电容09、振荡电感10和晶闸管阀06，利用lc零状态二阶振荡电路原理的试验拓扑结构产生高频振荡电流，振荡电流从零上升到峰值，采用欠阻尼放电原理。该高频振荡电流与流过机械开关的直流电流反向叠加，产生过零点，使机械开关分断过程中电流过零自动熄弧。振荡电容09充负压，通过控制晶闸管阀06触发脉冲，实现高频振荡电流向机械开关叠加时刻的控制。

冲击电压发生电路(冲击发生电路)04包括冲击电压发生器本体电路以及与该冲击电压发生器本体电路高压输出端串联的隔离球隙13，其中冲击电压发生器本体电路包括本体冲击电容08、三间隙球07、波头电阻11和波尾电阻12，本体冲击电容08和三间隙球07串联后与波尾电阻12并联，并在并联后与波头电阻11串联连接。其中，三间隙球的内部有特殊装置，当两球隙间电压到一定值且小于击穿电压时，可以通过此装置控制两球间隙击穿，从而控制冲击电压施加时刻，球隙间距可调；而隔离球隙13空隙不可调，主要靠高电压自放电而击穿，起电压隔离作用。

该冲击电压发生电路用于在机械开关分断后，产生满足一定波形参数的暂态冲击电压，等效机械开关在分断过程中耐受的断口间暂态电压应力，即等效机械开关断口熄弧过程中耐受的暂态电压应力。暂态电压施加前，本体冲击电容08充电到预定值，通过控制电路中的三间隙球07脉冲，实现对机械开关施加暂态电压开始时间的控制，通过调节波头电阻11、波尾电阻12的阻值大小，可实现对暂态电压波形参数的调节，隔离球隙13用于lc振荡电路和恒定直流电源与冲击电压发生电路间电流通路隔离。

当需要对直流断路器的机械开关进行测试时，将待测机械开关接到上述直流断路器用机械开关的试验电路的正负连接端，通过一定的逻辑控制时序，触发振荡电路晶闸管阀、分闸机械开关，触发冲击电压发生电路三间隙球，实现对机械开关动态绝缘耐受电压电流应力、热应力等效，测试过程如下：

试品机械开关合闸，恒定直流电源14经二极管隔离阀05向合闸状态的机械开关(试品)施加恒定直流电流，待机械开关触头温升达到设定值稳定后，振荡电路电容、冲击电压发生电路电容充电到预定电压值。

触发振荡电路晶闸管阀，启动lc振荡电路03，lc振荡电路产生高频振荡电流，该电流与机械开关直流电流反向叠加，使机械开关电流振荡过零。机械开关分闸信号与lc振荡电路晶闸管阀触发时刻根据机械开关分闸时间确定，机械开关电流过零后，二极管隔离阀05自然关断。

触发冲击电压发生电路三间隙球，冲击电压发生电路产生波头、波尾时间可调的暂态电压波形，施加到机械开关两端，机械开关分闸前，冲击电压发生电路电容充电到预定电压值，通过控制冲击电压发生电路三间隙球放电脉冲，实现对机械开关施加暂态电压时刻的控制。

图3给出了上述直流断路器用机械开关的试验电路在测试过程中的逻辑控制时序，具体内容如下：

1)稳态运行阶段

被试品机械开关01合闸，t0时刻，恒定直流电源14输出稳定直流电流，二极管隔离阀05正向导通，持续时间δt1，确保机械开关01触头温升稳定。

2)充电阶段

t1时刻，利用满足要求的直流电源模块分别向lc振荡回路03的振荡电容09充负极性电压到预定值、向冲击电压发生电路04的本体冲击电容08充正极性电压到预定值，δt2为lc振荡电路的振荡电容09和冲击电压发生电路04的本体冲击电容08充电到预定值的时间。

3)动态绝缘试验阶段

t2时刻，下发机械开关01分断指令，延时δt3(δt3＝t3-t2)后，触发lc振荡电路03的晶闸管阀06导通，产生的高频振荡电流与机械开关直流电流叠加振荡，产生过零点熄弧分断，延时δt4(δt4＝t4-t3)后，触发冲击电压发生电路04的三间隙球07放电，使冲击电压发生电路04产生的暂态电压击穿隔离球隙13后，施加到机械开关01的端间，试验结束。

其中：δt3时间长短，由机械开关01分闸时间确定，确保机械开关01触头分开前，lc振荡电路产生的高频振荡电流施加到机械开关01上；δt4时间长短，由机械开关01分闸时间确定，确保暂态电压施加到机械开关两端时，机械开关端口间达到预定的开距。

本发明直流断路器用机械开关的试验电路利用一定的试验方法和控保逻辑，使直流电源模块、振荡电路和冲击电压发生电路相互配合，等效机械开关分断过程中耐受的动态绝缘电压电流应力及热应力，试验电路原理简单，应力等效性强，试验平台实用性强，试验开展可操作性和安全性高，有效解决了机械开关在研发及试验验证过程中，对机械开关动态绝缘性能研究不彻底、试验验证等效性不强的问题，对直流断路器等特殊应用场合的机械开关研发、试验验证等具有重要意义。