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特高压直流开关的结构及灭弧原理分析 摘要：本文基于普侨特高压直流输电系统的高压直流断路器的技术规范和运行维护手册，深入分析了普侨直流的高压直流断路器结构及灭弧原理，着重从分合闸过程分析直流断路器的动作机理和灭弧过程；通过分析交直流电弧特性和直流断路器的LC振荡回路原理，找出直流断路器无法切断直流电流的三种常见情况；最后，归纳总结直流断路器的常见故障及处理方法关键词：直流断路器；灭弧室；振荡回路；电弧特性；RLC串联电路；前言：高压直流开关在实际运行中需要切断高电压直流电流，相比常规的高压交流断路器灭弧难度和要求更高，相应的MRTB、MRS、HSNBS直流断路器均需配置LC振荡回路和能量吸收器（500kV高压直流工程HSNBS无振荡回路，为双断口），MRTB和HSNBS采用四断口形式，其余开关采用双断口形式，这样才能更有效地避免切断特高压直流电流带来的系统震荡因此，分析高压直流开关的结构及灭弧原理对实际运行维护工作和常见故障处理具有重大指导意义1高压直流开关配置及作用800kV特高压直流逆变站和整流站均有阀组旁路开关4台，高速接地开关1台，中性母线开关2台，其中整流站增加配置金属回线开关和金属回线转换开关各1台，目前国内主流采用液压机构SF6开关，其名称及作用如下：高速中性母线开关（High Speed Neutral Bus Switch，HSNBS）：闭锁时将极直流电流降为零，无电流情况下分闸，将极设备与另一个极隔离。

高速接地开关（High Speed Ground Switch，HSGS）：1）BP方式下,在接地极出现故障时，防止接地极母线过电压（00401合上，快速合上0040）；2）MR方式下,钳制直流系统的电位阀组旁路开关（Bypass Switch，BPS）：在换流阀退出工作过程中将换流阀短路，投入过程中将电流转移金属回线开关（Metallic Return Switch，MRS）：在不停电的情况下，将高压直流输电系统从单极金属回线运行方式转换为单极大地回线运行方式，切断电流MR方式下合上）金属回线转换开关（Metallic Return Transfer Breaker，MRTB）：在不停电的情况下，将高压直流输电系统从单极大地回线运行方式转换为单极金属回线运行方式，切断电流GR方式下合上）2 高速直流开关结构及分合闸原理2.1 高速直流开关结构特高压直流工程配置BPS、HSGS、HSNBS、MRTB及MRS开关，液压操作机构，其结构主要由灭弧室、绝缘支柱、操作杆、液压机构等组成图1 高压直流开关结构2.1.1 灭弧室单台高压直流开关均为双断口形式，其结构如图2合闸时，液压机构通过操作杆使可动部分向右运动，压气缸内的压力降低，缸体前端的阀门打开，SF6气体进入压气缸，为分闸做准备。

分闸时，液压机构通过操作杆带动动触头和压气缸向活塞移动，压气缸内的SF6气体被压缩，阀门关闭，压气缸内气体压力增加触头分离后，SF6通过气栅进入喷嘴，熄灭电弧，断口间绝缘强度迅速恢复图2 灭弧结构2.1.2 液压操作机构液压操作机构主要包括油箱、液压缸、阀块三部分油箱为双壁结构，油箱盖子与油箱之间空间用于加热和通风，防止油腔内形成冷凝水此外，运行人员可通过观察孔查看液压油量液压缸通过差动活塞隔离分合闸侧高压油与低压油，差动活塞由主阀控制移动，并连接到操作杆阀块包含分合闸线圈（合闸线圈Y1、分闸线圈Y2、Y3）、辅助开关、位置指示、主阀，其中主阀、分合闸线圈通过管道与液压缸相连图3 液压操作机构2. 2 储能及分合闸过程2.2.1 储能过程如图4，当油压小于320bar时，液压操作机构的油箱中的油经滤油器后，被电机驱动油泵打压，再通过逆止阀（顶开逆止阀钢球），进入液压储能筒，油的体积增大，储能筒中活塞推动压缩氮气，氮气压力增大，打压至正常压力350bar左右，油泵停止打压，氮气与油之间保持平衡此外，进入液压储能筒后，一部分油接到测量回路，送压力表计和压力开关节点，另一部分进入液压缸和阀块。

图4 直流开关液压回路（开关在分位）2.2.2 分合闸过程如图4所示，开关在分位时，液压缸中差动活塞分闸侧充满高压油，合闸侧无油（确保开关在分闸位置时不因液压波动造成开关位置变化）发出合闸命令后，合闸线圈Y1动作（Y1闭合，往上顶开钢球），高压油充满管道，顶开钢球（分合闸线圈之间阀），继续进入主阀，此时由于主阀活塞右侧充满高压油，推动主阀活塞左移，一方面关闭油箱与主阀之间管道，隔开低压油，另一方面，主阀钢球被顶开，高压油进入进入液压缸差动活塞合闸侧由于液压缸差动活塞合闸侧面积大于分闸侧，差动活塞向左移动，开关合上同时，分闸侧油通过阀块油嘴流向主阀活塞，使合闸命令消失后，主阀仍然保持打开合闸过程中，油从分闸侧通过主阀流向合闸侧，所差部分油由液压储能筒补充开关合上后，液压缸差动活塞两侧均有油压，由于合闸面积大，即使油压波动，压力始终大于分闸侧，确保开关在合位开关发出分闸命令后，分闸线圈动作（Y2闭合往上顶开钢球），高压油从主阀活塞和分闸控制阀中钢球之间流回油箱，同时主阀活塞右移，钢球关闭增压侧，活塞打开泄压侧（通往油箱管道），使液压缸差动活塞合闸侧中高压油流回油箱，此时分闸侧油压油推动差动活塞向右移动，使开关分闸。

3 高速中性母线开关振荡回路及灭弧原理3.1 交直流电弧特性在电网电压较高、开断电流较大情况下，均可能在触头间形成电弧，如电弧不能迅速熄灭，将造成开关电器的损坏并扩大事故然而交直流电弧特性不同，其灭弧原理亦不同1）交流电弧波形如图5为交流电弧电压与电流波形，电弧电流波形近似正弦，而电弧电压波形呈不对称马鞍形状态图5 交流电弧电压电流波形电源电压的交变使每一周期内交流电弧两次过零自然熄灭，此时熄灭电弧的主要问题是防止电弧重燃，其条件为断口间介质的绝缘强度大于施加于断口间的电压（恢复电压）而限制恢复电压的重要措施使防止恢复电压产生振荡，因此，一般交流断路器设计上增加并联小电阻，防止恢复电压振荡如图6，开关跳闸时主断口DL1先断开，辅助断口DL2后断开（断开电阻负荷的能力大于断开电感负荷的能力）图6 断路器断口并联电阻回路2）直流电弧波形如图7，在弧长l不变的条件下直流电弧伏安特性曲线，具有下降的特点图7 直流电弧伏安特性曲线根据 得到图8，电弧稳定燃烧时，需同时满足 、 图8中B点为电弧稳定燃烧点，当扰动使 上升， 使电流下降，反之则上升图8 直流电弧稳定燃烧点因此，熄灭电弧的条件是保持 ， ，可通过增加电阻压降和电弧压降熄灭电弧。

具体措施有拉长电弧、开断电路时逐级串入电阻、断口装灭弧栅（将电弧切成多段）3.2 振荡回路及原理交流电弧利用过零点熄灭，低压直流电弧可通过拉长电弧、开断电路时逐级串入电阻、断口装灭弧栅等方法熄灭但是，特高压直流输电工程中以下三种情况可能导致流过开关电流较大，开关无法切断直流电流：1）单极故障闭锁后，流过中性母线开关的电压电流较大；2）不停电情况下，单极大地回线转为金属回线方式运行时，MRTB用于切断大地回线中直流电流，此时需转换的电流很大；3）不停电情况下，单极金属回线方式转为单极大地回线方式运行时，MRS用于切断金属回线中直流电流通常情况下，大地回线电阻比金属回线电阻小，因此MRTB需开断电流较MRS大常规方法无法满足灭弧要求，需借助交流电流过零特性实现灭弧此外，直流回路断口断开瞬间释放大量能量，并由于平波电抗器、直流滤波器、冲击电容器、线间及对地电容等因素，系统故障时引起电容电感间电磁能量转换产生过电压，均增加了直流开断难度因此，特高压直流输电系统MRTB、MRS、HSNBS均需配置LC振荡回路和能量吸收器（500kV高压直流工程HSNBS无振荡回路），MRTB和HSNBS采用四断口形式。

RLC串联电路中，在可变频的正弦电压源激励下，由于感抗、容抗随频率变动，使电路中电压、电流随频率变动当感抗与容抗相等，即 只有当输入电源频率域电路的固有频率相同时，才能在电路中激起谐振因此，RLC串联电路具有选择任一频率谐振特性如图9为中性母线开关振荡回路（无源型）及其实际接线路，中性母线开关本身由两台单相直流开关串联而成，形成双腔四断口，电容器组由8并8串共64支电容器组成，避雷器组由4支避雷器并列组成其振荡回路可等效为RLC串联电路，其中R为电感器及母线接头的等值电阻（电感L取0.42mH，电容C取20μF） 图9 中性母线开关振荡回路及其实际接线图当直流开关主触头断开后，电弧电压向电容器充电，由于电弧的不稳定性，电弧电压产生波动，使电容器与电弧之间有一个充放电过程，产生放电电流，由于电弧的下降伏安特性，将在振荡回路引起谐振，产生过零点，谐振频率约为1737Hz电弧电流过零后，断路器触头之间开始介质恢复阶段，除了电阻消耗能力外，此时回路中剩余的能量变成电容器的恢复电压，为防止电弧重燃，断路器触头间介质绝缘强度需大于恢复电压，当恢复电压上升到并联氧化锌避雷器额定电压时，避雷器导通，吸收剩余部分能量，使电弧电流下降为0，完成直流开断过程。

此外，中性母线开关较常规500kV直流工程增加两断口，降低了单个触头间隙上的过电压，保证开关绝缘水平4运行常见故障及处理方法4.1 直流开关拒动故障原因分析：（1）控制回路电源丢失；（2）开关操作控制箱内“远方－就地”选择开关在就地位置；（3）控制回路继电器烧坏；（4）辅助开关S1损坏或接线松脱；（5）操作机构故障；（6）联锁条件不满足7）SF6压力下降至7.0bar（5.0bar）以下，闭锁分闸；（8）操作机构液压下降至253bar以下（273bar分闸闭锁），机构闭锁故障处置原则：（1）若是控制电源丢失，运行人员可试投开关保护屏内小开关仍无法恢复控制电源，联系检修人员处理2）若是开关现场控制箱内“远方－就地”选择开关在就地位置，将开关现场控制箱内“远方－就地”选择开关切至远方3）若不属以上情况，应做好隔离措施，通知检修人员处理，正常后才能送电4.2 直流开关泄压故障原因分析：（1）压力指示接点故障；（2）开关打压回路故障；（3）开关储能回路发生泄漏等故障故障处置原则：（1）查看表计指示是否正常，重点检查油路是否渗漏油，油泵是否打压、油泵电机电源空开是否跳开，若跳开，则试合一次，试合不成功不得试合。

若发现渗漏油，油泵打压，应手动断开油泵电机电源空开2）若由于开关储能回路泄压引起，则根据泄压速度采取相应处理措施，若泄压速度较快且已降至分闸闭锁值，则应申请将开关控制电源断开，并立即申请停电4.3 直流开关SF6压力低故障原因分析：（1）SF6气体泄漏；（2）表计或节点故障，误报信号故障处置原则：（1）现场检查表计，确认SF6气体泄漏；（2）SF6压力低达到闭锁值（0010、0020、0040正常、报警、闭锁值分别为8.0、7.2、7.0bar，旁路开关正常、报警、闭锁值分别为6.0、5.2、5.0bar）；（3）开关压力低闭锁后，设死开关（断控制电源），申请停电隔离（若旁路开关SF6压力低，先将同极双阀组闭锁，隔离故障开关所在阀组，再合适旁路刀闸，解锁另一阀组）4.4 直流开关油泵频繁打压故障原因分析：（1）液压操作机构渗漏油；（2）油质污染导致泄压阀关闭不严；（3）主阀内有异物故障处置原则：（1）重点检查油路是否渗漏油，若发现渗漏油，应手动断开油泵电机电源空开2）若由于开关储能回路泄压引起，则根据泄压速度采取相应处理措施，若泄压速。