李永祥，晉 濤，陳昱同

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著我國特高壓直流工程的建設，直流電網(wǎng)的規(guī)模越來越大，高壓直流轉(zhuǎn)換開關設備的數(shù)量也越來越多。高壓直流轉(zhuǎn)換開關是換流站直流場的重要設備，主要用于直流輸電系統(tǒng)各種運行方式的轉(zhuǎn)換，如接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、故障處理及檢修隔離等。由于直流系統(tǒng)電流沒有過零點，無法應用交流斷路器的滅弧技術來開關直流電流。因此，開斷直流電流必須強迫過零，但當直流電流強迫過零，由于直流系統(tǒng)儲存的能量需要釋放，而能量釋放則在回路上產(chǎn)生過電壓，引起斷路器斷口間的電弧重燃，以致造成開斷失敗，所以吸收這些能量成為斷路器開斷的關鍵因素[1-2]。目前，三峽—常州等直流工程的直流斷路器設計為每年最多可以進行20～30次正常轉(zhuǎn)換。因此，為確保直流轉(zhuǎn)換開關的可靠轉(zhuǎn)換，開展輔助回路振蕩特性參數(shù)測試顯得十分必要。

目前，國內(nèi)平高集團有限公司、中國西電集團有限公司、中國電力科學研究院、南方電網(wǎng)科學研究院、西安交通大學等高壓開關設備生產(chǎn)企業(yè)和相關科研機構都在大力推進特高壓直流轉(zhuǎn)換開關的研制工作，關于直流轉(zhuǎn)換開關的研究主要集中在其直流電流分斷、熄弧機理、滅弧室核心部件設計、電流轉(zhuǎn)換過程等方面[3-9]；但對于直流轉(zhuǎn)換開關現(xiàn)場交接試驗的研究較少，缺乏相應的測試系統(tǒng)及試驗方法，對其輔助回路特性參數(shù)的測量還未形成相關的技術規(guī)范。為確保直流轉(zhuǎn)關開關各項指標滿足設計要求，須對該輔助回路的振蕩頻率和阻尼電阻進行現(xiàn)場實測。

1 高壓直流轉(zhuǎn)換開關

高壓直流開關是一種采用振蕩回路產(chǎn)生過零點進行關斷的特殊開關，主要用來關斷高壓直流電流。在換流站中，通常有4種形式的高壓直流開關，分別為金屬回線轉(zhuǎn)換斷路器MRTB（metallic return transfer breaker）、中性母線開關NBS（neutral bus switch）、中性母線接地開關NBGS（neutral bus ground switch）、大地回線轉(zhuǎn)換開關GRTS（ground return transfer switch），其主要用于進行直流輸電系統(tǒng)各種運行方式與接地系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換等。在直流輸電系統(tǒng)中的配置如圖1所示。

圖1 特高壓直流輸電工程直流轉(zhuǎn)換開關的配置情況

1.1 類型及結構原理

我國已建成的高壓直流換流站中，采用的直流斷路器型式有無源型和有源型疊加振蕩電流方式兩種，中性母線開關（NBS）及輔助回路系統(tǒng)結構原理和實物圖如圖2所示。由圖2可知，直流轉(zhuǎn)換開關由3部分構成：由于交流斷路器改造而來的轉(zhuǎn)換開關；以形成電流過零點為目的的振蕩回路；以吸收直流回路中儲存的能量為目的的耗能元件。其中能量吸收支路主要為避雷器；電流轉(zhuǎn)移支路包含電容C為轉(zhuǎn)換電容器組，L為電容器的電感和線路的電感之和，機械開關主要為SF6斷路器。直流系統(tǒng)正常運行時，直流電流流過直流斷路器，當直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，直流斷路器中的機械開關觸頭分閘，此時電流轉(zhuǎn)移支路貫通，產(chǎn)生高頻振蕩電流與直流短路電流共同作用出現(xiàn)人工過零點，機械開關在電流零點分斷電流，機械開關兩端恢復電壓隨即上升，當其上升到能量吸收支路的動作電壓后，電流轉(zhuǎn)移到能量吸收支路，完成1次直流電流開斷[10]。

圖2 高壓直流轉(zhuǎn)換開關結構原理圖

1.2 4種直流轉(zhuǎn)換開關技術參數(shù)

結合±800 kV雁門關換流站系統(tǒng)特性要求，4種直流轉(zhuǎn)換開關的技術參數(shù)如表1所示。其中直流濾波場高壓直流轉(zhuǎn)換開關的配置情況如下：MRTB轉(zhuǎn)換開關1臺，NBS轉(zhuǎn)換開關2臺，NBGS轉(zhuǎn)換開關1臺，GRTS轉(zhuǎn)換開關1臺。

表1 直流轉(zhuǎn)換開關相關技術參數(shù)

2 輔助回路振蕩特性參數(shù)測試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)測試原理

高壓直流轉(zhuǎn)換開關輔助回路特性參數(shù)測試系統(tǒng)如圖3所示。該測試系統(tǒng)包含：電容電感測試儀、直流充電電源、HF積分器、羅氏線圈、示波器及輔助開關等設備。其原理為：當輔助回路l1導通時，通過羅氏線圈測得回路電流，由HF積分器進行信號轉(zhuǎn)換，最終示波器捕獲電流的振蕩衰減信號。

2.2 振蕩特性參數(shù)的計算

圖3 直流轉(zhuǎn)換開關輔助回路特性參數(shù)測試系統(tǒng)

通過直流電源給電容充完電之后，斷開SW1控制開關，合上斷路器CB，這時R、L、C串聯(lián)構成二階電路，回路中的電流i滿足如下關系

其振蕩角頻率ω

衰減系數(shù)τ

電容量C直接測量得到，頻率f由示波器直接獲得，衰減系數(shù)τ由作圖法求出。聯(lián)立式（1）和式（2），可得出L、R。

3 測試系統(tǒng)的現(xiàn)場應用

3.1 MRTB輔助回路振蕩特性

通過試驗測試系統(tǒng)測得MRTB輔助回路電流振蕩特性曲線如圖4所示。通過電容電感測試儀測得轉(zhuǎn)換電容器組的電容容量為61.8 μF，由圖5可知，通過曲線擬合可得到圖中振蕩電流波形的漸進線方程為y=2.346exp(-0.000 993 6 t)，由此可得到輔助回路振蕩周期為360.58 μs，衰減系數(shù)為1 006.4 μs，振蕩頻率為2 773 Hz；通過計算得到輔助回路電感為53.3 μH，回路電阻0.105 9 Ω。

圖4 MRTB輔助回路電流振蕩波形

3.2 GRTS輔助回路振蕩特性

通過試驗測試系統(tǒng)測得GRTS輔助回路電流振蕩特性曲線如圖5所示。通過電容電感測試儀測得轉(zhuǎn)換電容器組的電容容量為61.9 μF，由圖6可知，通過曲線擬合可得到圖中振蕩電流波形的漸進線方程為y=2.873exp(-0.001 123t)，由此可得到輔助回路振蕩周期為347.02 μs，衰減系數(shù)為890.5 μs，振蕩頻率為2 882 Hz；通過計算得到輔助回路電感為61.9 μH，回路電阻0.110 7 Ω。

圖5 GRTS輔助回路電流振蕩波形

3.3 NBS輔助回路振蕩特性

通過試驗測試系統(tǒng)測得NBS輔助回路電流振蕩特性曲線如圖6所示。通過電容電感測試儀測得轉(zhuǎn)換電容器組的電容容量為61.58 μF，由圖6可知，通過曲線擬合可得到圖中振蕩電流波形的漸進線方程為y=-3.356exp(-0.001 323t)，由此可得到輔助回路振蕩周期為307.08 μs，衰減系數(shù)為755.9 μs，振蕩頻率為3 256 Hz；通過計算得到輔助回路電感為38.8 μH，回路電阻0.102 8 Ω。

圖6 NBS輔助回路振蕩電流波形

3.4 NBGS輔助回路振蕩特性

通過試驗測試系統(tǒng)測得NBGS輔助回路電流振蕩特性曲線如圖7所示。通過電容電感測試儀測得轉(zhuǎn)換電容器組的電容容量為61.86 μF，由圖7可知，通過曲線擬合可得到圖中振蕩電流波形的漸進線方程為y=3.705exp(-0.002 244t)，由此可得到輔助回路振蕩周期為325.4 μs，衰減系數(shù)為445.6 μs，振蕩頻率為3 073 Hz；通過計算得到輔助回路電感為43.4 μH，回路電阻0.194 6 Ω。

圖7 NBGS輔助回路振蕩電流波形

4 結論

高壓直流轉(zhuǎn)換開關應用于高壓直流轉(zhuǎn)換開關輔助回路振蕩特性參數(shù)現(xiàn)場測試系統(tǒng)，測試結果表明4種直流轉(zhuǎn)換開關輔助回路的振蕩特性參數(shù)滿足直流輸電系統(tǒng)的要求，證明了測試方法及試驗系統(tǒng)的有效性及正確性；另外，測試系統(tǒng)采用羅戈夫斯基線圈對輔助回流電流振蕩特性進行測量，減小現(xiàn)場外界干擾的影響，提高了輔助回路的頻率、阻尼電阻等特性參數(shù)現(xiàn)場實測的準確性和可靠性。