摘要：直流输电工程中的换流站直流断路器是直流场的重要设备。直流断路器是在交流断路器的基础上，并联电容电感振荡回路，使得直流电流叠加振荡强迫电流过零点，从而实现对直流电流的分断。对振荡回路的电容电感参数进行现场测量，是换流站直流场交接试验的一项重要试验。通过多个直流输电工程的测量实践，对直流断路器振荡回路参数的现场测量方法进行了不断地改进。实际证明，采用对电容充电和钳形电流表的测量方法方便可行，测量结果准确，可供今后类似工程的现场测量提供参考。。
关键词：直流输电；直流断路器；振荡回路。
0引言
高压直流输电系统中为了故障的保护切除、运行方式的转换以及检修的隔离等目的，在换流站的直流侧需要装设直流断路器。与交流变电站不同的是，换流站直流侧的断路器所涉及的是直流电流的转换和遮断，需要在交流断路器的基础上并联振荡回路和能量吸收装置。
在直流转换开关安装完成后，须测量振荡回路参数，以便判断是否能满足设计要求。由于振荡回路的电感较小（微亨级），现场不易直接测量。现场一般采用对电容器充电，对电感放电，测量回路的振荡频率的方法推算电感值。
通过对葛洲坝换流站、复龙换流站和哈密换流站等多个直流换流站的测量实践，对现场测量工作进行了总结改进，实现了振荡回路参数的快速准确测量。
1 换流站直流断路器的配置
高压直流输电系统直流侧主要配置的直流断路器有极中性线侧的低压高速断路器LVHS、金属回线转换断路器MRTB、大地回线转换断路器GRTS和双极运行中性线临时接地断路器NBGS，如图1所示。
当单极计划停运时，换流器在没有投旁通对的情况下闭锁，换流器将使该极直流电流降为零，LVHS再无电流情况下分闸。当正常双极运行时，如果一个极的内部出现接地故障，故障极带投旁通对闭锁，则利用LVHS将正常极注入接地故障点的直流电流转换至接地极线路。
图1 双极换流站典型的直流断路器设备配置图 图2 直流断路器原理图
MRTB和GRTS装设于接地极线回路中和接地极线与极线之间，用以将直流电流从单极大地回线转换到单极金属回线之间转换，以保证转换过程中不中断直流功率的输送。
NBGS装设于中性线与换流站接地网之间，当接地极线路断开时，不平衡电流将使中性母线电压升高，为了防止双击闭锁，提高高压直流输电系统的稳定性，利用NBGS的合闸来建立中性母线与大地的连接，以保证双极继续运行，从而提高了高压直流输系统的可用率。
2 换流站直流断路器原理
直流电流的开断不像交流电流那样可以利用交流电流的过零点，所以直流断路器是在交流断路器的基础上，通过并联振荡电路，使得直流电流叠加振荡强迫电流过零点，从而分断直流电流，同时并联氧化锌避雷器，吸收系统中所储存的能量，防止直流系统释放的能量引起断路器端口电弧重燃，原理示意图如图2所示。因此，直流断路器由三部分组成：由交流断路器改造而成的开断装置；以形成电流过零点为目的的振荡回路；以吸收直流回路中储存的能量为目的的耗能元件。
目前采用的直流转换断路器分为有源型直流转换断路器和无源型直流转换断路器，较之于有源型直流转换断路器，无源型叠加振荡电流方式所需设备少，占地面积小，容易控制，便于自激振荡测量。本文所研究的直流转换断路器的类型为无源型直流转换断路器。
无源叠加振荡方式是利用电弧电压随电流增大而下降的非线性负电阻效应，在与电弧间隙并联的LC回路中产生自激振荡，使电弧电流叠加上增幅振荡电流，当总电流过零时实现遮断。因此，这种方式是根据断弧间隙电弧的不稳定性，利用电弧电压波动使电弧与LC回路之间存在一个充放电过程，以及电弧的负阻特性又使充放电电流的振幅不断增大，从而实现总电流强迫过零。
电弧电流过零以后，断路器触头之间的灭弧介质性能开始恢复，由于直流系统仍储存着巨大的能量，并将使断口间的恢复电压上升。恢复电压上升速度正比于I0/C，其中I0为开断电流。当断路器的介质恢复速度高于断口间的恢复电压上升速度时，就不会发生电弧重燃现象。当恢复电压上升至金属氧化物避雷器的持续最大运行电压时，避雷器进入导通状态，吸收系统储存的能量，使断路器完成开断过程。
3测量方法及改进
直流断路器振荡回路的测量的内容包括振荡回路的频率、振荡回路的电容、电感和电阻。振荡回路的电容较大（微法级），可通过电容测量仪测量；振荡回路的电感较小（微亨级）在现场用一般的测试仪难以测量；振荡回路的电阻也很小（毫欧级），难以直接测量；振荡回路的频率也无法直接测量。因此，在现场对振荡回路的频率、电感和电阻一般采用对电容充电，对电感放电的放电的方法间接测量。
国内对直流断路器振荡回路参数的测量工作开展得较少。1989年湖北省电力试验研究所在我国第一个直流输电工程葛洲坝-上海直流输电工程葛洲坝换流站调试时曾对直流断路器MRTB的振荡回路参数进行过测量。
2010年葛洲坝换流站直流断路器改造，断路器振荡回路的参数进行了重新设计改造。我院再次对直流断路器的振荡回路参数进行了测量。同年对±800kV复龙换流站直流侧的GRTS断路器的振荡回路进行了测量。2013年又对±800kV哈密南换流站直流侧的GRTS断路器的振荡回路进行了测量。经过了几个直流工程现场测量工作的积累，改进了测量方法和测试设备，使现场工作更加简便，测量结果更加准确。
在葛洲坝换流站和复龙换流站采用的测量方法见图3。
图3 振荡回路分流器法测量接线图
在哈密换流站采用的测量方法见图4。
图4 振荡回路钳型电流法测量接线图
两种测量方法的步骤都是先对振荡回路的电容进行充电，待电容器上的直流电压稳定后断开充电回路；然后合上直流断路器对电感放电，用示波器测量回路的放电电流，以推算回路振荡频率、电感和电阻。
两种测量方法的不同点是：分流器法测量放电电流需断开振荡回路，接入分流器；而钳型电流法无需断开回路，可直接测量回路的振荡放电电流；而且分流器法由于引入了电阻，加快了振荡波形的衰减，在现场需要增加对电容的充电电压，在后续的计算回路电阻值时还需扣减分流器电阻。
两种测量方法在直流充电源上也有所改进。葛洲坝换流站和复龙换流站的现场测量中，直流充电源采用调压器和高压硅堆整流，设备笨重，携带不便，输出充电电压最高只到360V；经过改进和现场试验，在哈密换流站采用绝缘兆欧表对电容器充电，选择1000V直流档可轻松地对电容器进行充电，直流电压达1180V。采用绝缘兆欧表减轻了试验设备的重量，使充电设备更便于运输和携带。
4试验结果的计算
以哈密南换流站测量结果为例，介绍试验结果的计算。
测量所得波形见图5。
图5 哈密南换流站GRTS参数测量波形
5.1 振荡回路频率
图5中横坐标每格1ms，纵坐标每格100A。
从波形图上可以得到：
10个周波时间为2.35ms，周期为235μs，
振荡频率为4255 Hz。
5.2 振荡回路电感
采用作图法可得电流振荡波的包络线，
其函数为
，
令
，有
当电流下降1/e时
，
得衰减时间常数
实测电容器值为C=22.4μF。
振荡回路电感
测量的电感为整个GRTS回路的电感，包括电抗器的电感、电容器的电感及回路的电感。
5.3 振荡回路电阻
6结语
通过多个直流输电工程换流站直流断路器振荡回路参数现场测量的积累和改进，采用对电容器充电和钳形电流表测量振荡电流的方法，实现了对直流断路器振荡回路参数的快速准确测量。该方法可供今后类似直流输电工程调试中类似测量提供参考。
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作者简介：张致，1969—，男，硕士，高级工程师，主要从事高电压试验技术的研究工作。
论文作者:张致,陈隽,童歆,王永勤,郭子淳
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/12/7
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