3.5 高压直流断路器的测试方法

高压直流断路器的测试电路要求为：提供比要求开断电流更大或者相同的快速上升电流，该电流无须为稳定的直流；测试电路中电感存储的能量能达到直流系统存储的电磁能量；在断路器开断过程中，断路器两端有充足的稳定电压值。高压直流断路器的测试方法包括采用理想直流源的直接测试方法和采用高压充电电容器组、大电流充电电感及交流发生器的间接测试方法 ^[69] 。

3.5.1 直接测试方法

理想直流源是测量直流断路器的最理想方式。理想直流源测试回路如图3-23所示，包括直流电压源 U _DC 、线路电阻 R 、电路电感 L 和测试高压直流断路器HVDC CB。开断过程分为故障电流中和时间和故障电流抑制（即能量吸收）时间。断路器两端电压从零（电弧电压）上升到保护电压的时间忽略不计。

3.5.2 间接测试方法

1.高压充电电容器组测试方法

高压充电电容器组测试回路如图3-24所示，包括预充电电容 C 、线路电阻 R 、线路电感 L 和合闸开关S。预充电电容器组的充电电压与系统直流电压相同，线路电感用于调节系统电流上升率，使其与流过高压直流断路器的故障电流上升率相同。充电电容器组测试方法的主要挑战为电容器组和电抗器在实际选择范围时，电容器组两端电压下降很快，因此高压直流断路器的开断难度低于理想直流源测试方法。充电电容器组测试方法能通过调节线路阻抗调节故障电流的幅值和上升率d i /d t ，当电流频率较低时，需要较大的电容和电感，电容放电产生的能量小于理想直流源测试方法。

2.大电流充电电感测试方法

通过释放存储在预充电电感中的电磁能量产生类似直流电流的方法称为充电电感测试方法。充电电感测试回路如图3-25所示，测试回路包括给电感充电的交流电源、充电电感 L 、线路电阻 R 和合闸开关S。测试时预先对充电电感充电，充电完成后断开开关AC CB，同时再合上开关S进行测试。该方法可以用于只有几毫秒的过程。由于在开断过程中缺乏电压源，因此开断难度低于理想直流源。测试电流的下降率与回路电阻有关，因此需要电感有很高的品质因数。大电流充电电感的劣势主要为：缺乏充足的电压；需要能存储充足能量、高品质因数的电抗器；故障电流下降率受线路电阻限制。

3.交流发生器测试方法

在直流系统，高压直流断路器需要在故障电流上升阶段开断电流，即在故障电流达到稳定值前开断电流，因此测试高压直流断路器并不需要一个稳定的直流源。频率较低的短路电流发生器可以用于测量高压直流断路器的开断特性。交流故障电流发生器测试回路如图3-26所示，该回路包括交流故障电流发生器、线路电阻 R 、线路电感 L 、测试高压直流断路器和用于介电冲击的电容器 C 。短路故障电流发生器能在长时间产生类似直流电流，在该测试方式下，当断路器能在电流自然零点前开断峰值交流电流即认为开断成功。然而，当电流在峰值时，电压为零，并改变极性，此时发生器开始吸收能量而不是提供能量，使开断过程更快结束。在开断过程中必须确保故障电流发生器能提供充足的能量，提供的交流电压峰值与直流断路器工作的系统额定电压相同。此时低频短路故障电流发生器测试方法与理想直流源测试方法等效。通过设置故障电流发生器交流电压的角度可以实现等效。交流电压的角度 θ 的设置方式如公式（3-1）所示。

当电源电压达到峰值时，故障电流初始上升率最大，通过限制故障电流的直流部分，即通过控制电压的角度 θ 可以获得最大的d i /d t 。另一个关键因素为通过降低电流频率使开断过程中电压尽可能维持不变。在开断过程中电压处于峰值时，源输出的能量最大，因此调节合适的电压角度 θ 既能获得充足的故障电流上升率，又能输出最大的能量。

式中 i ——电流；

E _m ——电场峰值；

ω ——电流角频率；

θ ——角度；

R ——线路电阻；

L ——线路电感。

图3-27为KEMA试验站的短路电流发生器测试回路。测试回路包括4个短路电流发生器（G ₁ ～G ₄ ）产生10GV·A的总能量（50Hz）和6个变压器（T ₁ ～T ₆ ）。短路电流发生器测试方法的短路能量随着电流频率的减小成比例降低。短路电流发生器（G ₅ 、G ₆ ）及变压器（T ₇ ～T ₁₀ ）正在建设中，建设完成后将短路测试能量提高到15GV·A（50Hz）。

高压直流断路器测试回路额外需要考虑的问题有：如果测试断路器开断失败，测试回路需要有限流器限制预期电流峰值；如果测试断路器能开断故障电流，在开断电流后将承受稳定的直流电压，因此可以测试断路器的介电耐受特性。在实际系统中，测试断路器在开断成功后将承受系统电压。仿真研究结果得到，当短路故障发生器产生的交流电流频率小于16.67Hz时，开断的电流值上升率、电压和开断后断路器需要吸收的能量均与理想直流源十分相近，因此频率小于16.67Hz的交流电流能代替直流短路故障电流，用于测量高压直流断路器的开断能力。短路电流发生器测试方法的优点为：充足的电压和电流；将多台短路电流发生器和变压器串联使用，可以提高电压和能量；在频率低时有充足的能量。劣势为：短路能量随着电流频率的降低而减少；需要特殊的阶梯式变压器；需要特殊保护避免测试断路器开断失败后对系统造成损害。

4.测试方法波形对比

不同测试方法都尽量使得试验电流和电压过程与真实系统近似。图3-28对比了不同测试方法的电流、电压和能量，得到采用交流发生器测试方法，当交流频率低于16.67Hz时，其电流、电压和能量与理想直流测试方法的波形最接近。充电电容器和充电电感的测试电压、能量均低于理想直流源，在电流峰值前开断时，其电流波形与理想电流源相似。