王獻(xiàn)才，付二順，趙新陽

（河南省高壓電器研究所有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引 言

高壓直流電相對于傳統(tǒng)的交流電具有很大優(yōu)勢。從能源角度講，高壓直流電更適應(yīng)如今世界能源的走向及發(fā)展趨勢，尤其對于以煤炭發(fā)電為主要發(fā)電方式的我國具有極為重要的意義。然而，高壓直流電存在諸多問題，其中對于高壓直流電推廣最嚴(yán)重的阻礙是故障電流擴(kuò)散，而高壓直流斷路器是目前解決此故障最有效和成熟的方式。

1 高壓直流斷路器現(xiàn)狀

1.1 高壓直流斷路器的技術(shù)原理

高壓直流斷路器是為了解決直流電流故障擴(kuò)散應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物。高壓直流斷路器的主要作用是對高壓電網(wǎng)的開斷，尤其是在高壓電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)斷電。它主要根據(jù)交流斷路器經(jīng)過相應(yīng)的改造而產(chǎn)生，類似于我國目前最常應(yīng)用的交流斷路器空氣開關(guān)。高壓直流斷路器主要分為3 個(gè)類型——機(jī)械式、拓?fù)涫揭约盎旌鲜?。隨著高壓直流技術(shù)的發(fā)展，對其的研究和改善越來越受到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹匾?。高壓直流斷路器主要?yīng)用于高壓直流輸電系統(tǒng)，依據(jù)的主要原理是迭加振蕩電流法。目前，研制比較成功的斷路器真空斷路器、六氟化硫斷路器以及產(chǎn)氣斷路器等，其中產(chǎn)氣斷路器屬于實(shí)驗(yàn)內(nèi)的產(chǎn)物，目前并不適用于大規(guī)模推廣。真空斷路器和六氟化硫斷路器是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的斷路器，基本已經(jīng)壟斷我國的斷路器市場[1]。

1.2 高壓直流斷路器存在的問題

我國的高壓直流斷路器主要基于電流增幅的相關(guān)原理進(jìn)行研制。這類斷路器制作成本較低，同時(shí)具有很好的市場表現(xiàn)，因此受到高壓直流初級市場的喜愛。但是，由于電流幅值的增加對于開斷效果具有一定的影響，因此當(dāng)面對的電流幅值較大時(shí)，它的開斷能力會(huì)受到一定影響。這個(gè)影響在實(shí)際應(yīng)用中非常致命，一旦因?yàn)殡娏鞣荡蠖鴮?dǎo)致斷路器沒有發(fā)揮作用，就會(huì)失去自動(dòng)斷開電路最好的時(shí)機(jī)，往往造成不可估量的后果。電流幅值在實(shí)際工作中很難控制，不同的流量也會(huì)引起不同的幅值變化。如果不能解決這個(gè)問題，斷路器將很難應(yīng)用于實(shí)際的高壓電網(wǎng)中。

1.3 當(dāng)前沿用技術(shù)的改良

隨著電子技術(shù)的不斷革新，高壓直流斷路器不斷發(fā)生迭代。在高電壓、大電流的應(yīng)用場合中，通常根據(jù)不同的需要將電子器件串聯(lián)以提高抗壓能力，或者將電子器件并聯(lián)以提高其分流能力，從而從根本上提高其對高電壓、大電流場合的適應(yīng)能力。此外，為了解決電路幅度過大對斷路器的開斷能力產(chǎn)生影響，從滅弧能力、滅弧材料等方面提供了策略。首先，從研究直流電弧的特性出發(fā)，只有充分了解直流電弧的特性，才能避免其產(chǎn)生更大的傷害，并以此為出發(fā)點(diǎn)制造出滅弧能力更強(qiáng)、滅弧速度更快的斷路器。其次，采用包含機(jī)械開關(guān)和電力電子器件的結(jié)構(gòu)，通過合理把握開斷時(shí)間來設(shè)定合適的開關(guān)順序，以使機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)在極小的電流甚至零電流下開斷，從而成功解決以上問題。隨著技術(shù)的革新，純電子器件的固態(tài)拓?fù)鋽嗦菲鞯脑O(shè)想也被提出，目前正處于研制階段。如果研制成功，有望從根源上解決電弧問題，因?yàn)榧冸娮悠骷墓虘B(tài)拓?fù)鋽嗦菲髟诠ぷ鬟^程中不會(huì)產(chǎn)生電弧。

2 在高壓直流斷路器組件上的技術(shù)突破

2.1 快速機(jī)械開關(guān)動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

目前，真空高壓直流斷路器能夠滿足我國高壓直流電網(wǎng)的需求，沒有根本上的缺陷，因此暫時(shí)沒有進(jìn)一步技術(shù)突破的必要。但是，可以通過不同的試驗(yàn)進(jìn)一步提高高壓直流斷路器的性能，使之能夠在實(shí)際應(yīng)用中有著更好的表現(xiàn)?？焖贆C(jī)械開關(guān)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是為了驗(yàn)證高壓直流斷路器在高強(qiáng)度工作下的穩(wěn)定性和它的使用壽命。隨著時(shí)間的推移和應(yīng)用次數(shù)的增加，高壓直流斷路器會(huì)由于電子元器件的老化和性能縮減導(dǎo)致壽命降低?？焖贆C(jī)械開關(guān)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，能夠在很大程度上測量出高壓直流斷路器的實(shí)際應(yīng)用壽命。此外，通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以進(jìn)一步改進(jìn)高壓直流斷路器，尋找更耐用的材料，采用更多的技術(shù)改進(jìn)，以此不斷提高其在快速機(jī)械開關(guān)動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中的表現(xiàn)，提高高壓直流斷路器的使用壽命，對高壓直流斷路器的推廣具有重要作用。因?yàn)楦邏弘娋W(wǎng)的特殊地理位置，導(dǎo)致高壓直流斷路器的裝卸存在很多障礙。如果能夠延長高壓直流斷路器的使用壽命，降低高壓直流斷路器的更換頻率和維修頻率，對于一些高原、山區(qū)等地區(qū)的電力普及穩(wěn)定供應(yīng)幫助巨大[2]。

2.2 主支路閥組的電流應(yīng)力試驗(yàn)

主支路閥組是高壓直流斷路器最重要的工作場景之一。大部分的高壓直流斷路器都會(huì)服役在高壓直流電網(wǎng)的主支路上，而主支路閥組的電流應(yīng)力是影響高壓直流斷路器工作效果和穩(wěn)定性的主要因素之一。所謂電流應(yīng)力，通俗而言就是電路上的相關(guān)設(shè)備及電子元器件所能夠承受的電流量的大小。不同的電流值會(huì)產(chǎn)生不同的效果，除了電子元器件自身的電阻之外，電流值將會(huì)影響到電路作用于不同電子元器件的電壓值。不同的電子元器件所能承受的電壓值有所不同，如果不能對所承受的電壓值和電流值進(jìn)行準(zhǔn)確測量，將會(huì)導(dǎo)致斷路器的提前損毀。高壓電網(wǎng)的斷路器維修成本很高，經(jīng)常性維修或更換顯然不能滿足正常的供給需求。

2.3 額定電流和短路電流開斷試驗(yàn)

通過主支路閥組的電流應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，能夠獲得一些重要的數(shù)據(jù)，有助于相關(guān)工作人員確定高壓直流斷路器的參數(shù)。這些參數(shù)的確定將會(huì)在很大程度上決定斷路器所能通過的最大電流值。但是，在日常使用過程中不能以這種會(huì)對電子元器件有損害的方式工作，而是應(yīng)該使用更合理的額定電流。由此可知，關(guān)于電路的額定電流的測定非常必要。如果額定電流測試準(zhǔn)確，將會(huì)在很大程度上保證電路的正常工作，從而減少斷路器的檢修次數(shù)。對一定規(guī)格的高壓直流斷路器進(jìn)行處于極限電流值之內(nèi)的不同電流的試驗(yàn)，通過試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)的對比，以及設(shè)定額定電壓等值作為參考，能夠在最大程度上推斷所適合的電流，然后將不同規(guī)格的高壓直流斷路器應(yīng)用于合適的場所，以保證最大的工作效率。短路電流的開斷試驗(yàn)是試驗(yàn)的重要內(nèi)容之一，因?yàn)楦邏褐绷鲾嗦菲靼l(fā)揮作用時(shí)很大概率是在短路條件下。常見的一些自然災(zāi)害如風(fēng)雪雷電，都有一定概率引發(fā)電路短路。同時(shí)，由于電網(wǎng)的部分元器件老化、檢修不及時(shí)或者其他人為因素等都有可能導(dǎo)致此類事件的發(fā)生，如果電路長時(shí)間處于短路狀態(tài)，很容易引起火災(zāi)，損壞重要元器件，甚至發(fā)生人觸電死亡等重大的事故災(zāi)害。而高壓直流斷路器是最重要最有效的預(yù)防此類事件發(fā)生的手段，斷路器在短路狀態(tài)下的表現(xiàn)將會(huì)直接影響斷電的效果，因此測試斷路器在短路條件下的性能十分必要，可以以此測試高壓直流斷路器的可靠性，為后續(xù)的改進(jìn)和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 論

高壓直流電網(wǎng)相對于傳統(tǒng)交流電網(wǎng)具有顯著優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)多能源供電、多落點(diǎn)受電，是一種非常靈活的輸電方式，同時(shí)配合現(xiàn)有的電子信息技術(shù)，能夠在未來城市智能電網(wǎng)工程中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。高壓直流斷路器作為解決高壓直流輸電常見故障最有效、最直接的方式，必定有著巨大的發(fā)展前景。此外，相對于國外的技術(shù)而言，我國的直流斷路器還有一定的改善空間。