一种直流系统开断过电压试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及直流输电领域，尤其涉及一种直流系统开断过电压试验装置及其试验方法。

背景技术：

由于风电、光伏等间歇式可再生能源大规模接入电网的现实需求，多端高压直流电网成为最有效的解决途径。高压直流电网中短路电流的开断问题是目前影响电网稳定性的关键因素。高压直流断路器能够实现快速切除或隔离短路故障，是解决高压直流电网中短路电流开断问题的有效手段。

直流断路器在开断故障直流线路过程中，极端情况下直流断路器和换流阀等直流设备直流线路侧接线端对地将承受特殊的过电压波形，该过电压波形在微秒时间内从0伏上升到过电压幅值，而后在过电压幅值下持续几秒时间。采用传统的冲击电压试验单独验证直流设备接线端对地在微秒时间内从0伏上升到过电压幅值的电压下的绝缘耐受性能，采用直流电压试验单独验证直流设备接线端对地在过电压幅值下持续几秒时间的电压下的绝缘耐受性能，不能准确反应直流设备接线端对地在特殊过电压波形的电压下的绝缘耐受性能。

实际生产中没有专门的波头时间为微秒、波尾电压为直流的电压发生器，因此如何利用常见的试验设备搭建试验回路，验证直流设备接线端对地在特殊过电压波形的电压下的绝缘耐受性能，成为保证直流设备安全运行的关键。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种直流系统开断过电压试验装置及其试验方法，其可充分考核直流设备接线端对地在特殊过电压下的绝缘性能，从而保证直流设备的运行安全。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种直流系统开断过电压试验装置，所述试验装置包括电压源10、单向导通单元20、限流电感30、调波单元40、试品50和放电单元60，所述调波单元40包括调波电阻401，所述调波电阻401为可调电阻；其中：所述电压源10、单向导通单元20、限流电感30、调波电阻401和试品50顺次串联连接，放电单元60和试品50并联连接。

进一步的，所述调波单元40还包括调波电容402，所述调波电容402与试品50并联连接；调波电容402为可调电容。

进一步的，所述电压源10包括充电电源101、充电开关102、放电开关103、放电电容104和放电电阻一105，放电电容104与相互串联的充电电源101和充电开关102并联，放电电容104与相互串联的放电开关103和放电电阻一105并联；所述放电电容104为单独布置的可调电容。

进一步的，所述单向导通单元20包括可控功率半导体硅堆一201、可控功率半导体硅堆二202、二极管硅堆一203、二极管硅堆二204，可控功率半导体硅堆一201和二极管硅堆一203反向并联，可控功率半导体硅堆二202和二极管硅堆二204反向并联，可控功率半导体硅堆一201和可控功率半导体硅堆二202反向串联；可控功率半导体硅堆一201、可控功率半导体硅堆二202、二极管硅堆一203、二极管硅堆二204均包含至少一个功率半导体开关器件，同一个硅堆中的所有功率半导体开关器件同向依次串联，功率半导体开关器件均包括相应的均压回路。

进一步的，所述可控功率半导体硅堆一201和可控功率半导体硅堆二202中的功率半导体开关器件为晶闸管、igbt、sic。

进一步的，所述单向导通单元20对地电位绝缘为绝缘材料支撑或者绝缘材料悬吊。

进一步的，所述试品50包括试品电容501和试品电阻502，试品电容501和试品电阻502并联连接。

进一步的，所述放电单元60包括放电电阻二601和间隙602，放电电阻二601和间隙602串联连接。

本发明还相应提出了一种直流系统开断过电压试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤1001)根据试品50对试验电压波头时间和波尾电压要求，调整调波单元40参数；

步骤1002)单向导通单元20和放电单元60处于开断状态，启动电压源10，根据试品50的试验电压极性和幅值要求，调节电压源10的输出电压；

步骤1003)监视试品50两端的电压波形，连通单向导通单元20，电压源10对试品50进行充电，充电完成后关闭电压源10；

步骤1004)试品50两端电压的波尾电压时间达到要求值时，连通放电单元60，试品50通过放电单元60放电；

步骤1005)当试品50两端电压波形满足试验要求时，试验结束；当试品50两端电压波形不满足试验要求时，重复步骤1001至1004，直至试品50两端电压波形满足试验要求，试验结束。

本发明还相应提出了一种直流系统开断过电压试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤2001)根据试品50对试验电压波头时间和波尾电压要求，调整调波单元40中调波电阻401的电阻值或调波电阻401的电阻值和调波电容402的电容值；

步骤2002)单向导通单元20、放电单元60、充电开关102和放电开关103处于开断状态，启动充电电源101，根据试品50上试验电压极性和幅值要求，调节充电电源101的输出电压；连通充电开关102，充电电源101对放电电容104充电，充电完成后断开充电开关102；

步骤2003)监视试品50两端的电压波形，试品50上试验电压要求正极性时触发可控功率半导体硅堆一201开通，试品50上试验电压要求负极性时触发可控功率半导体硅堆二202开通，放电电容104对试品电容501或试品电容501和调波电容402进行充电，充电完成后连通放电开关103，放电电容104通过放电电阻一105放电；

步骤2004)试品50两端电压的波尾电压时间达到要求值时，连通间隙602，试品电容501或试品电容501和调波电容402通过放电电阻二601放电；

步骤2005)当试品50两端电压波形满足试验要求时，试验结束；当试品50两端电压波形不满足试验要求时，重复步骤2001至2004，直至试品50两端电压波形满足试验要求，试验结束。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中电压源10和单向导通单元20的组合电路，依靠单向导通单元20的单向导通特性，电压源10通过单向导通单元20向试品电容501充电，在试品50两端形成微秒时间的波头电压；试品电容501充电完成后，不向电压源10方向放电，仅通过试品电阻502放电，实际直流设备的试品电阻502阻值较大，在试品50两端形成直流电压波形的波尾，从而实现了对直流设备接线端对地特殊过电压下绝缘性能的考核，试验回路无需复杂的逻辑控制，实现方法简单可靠。

2、本发明中单向导通单元20采用功率半导体开关器件反并联的结构，单向导通单元20与电压源10形成的组合回路，可实现对试品50施加正极性和负极性的试验电压，试验回路适用性高。

3、本发明中调波电阻401和调波电容402的组合电路，通过调节调波电阻401阻值使试品50两端试验电压的波头时间满足要求；试品电容501的容值较小时，通过并联调波电容402提高试品50两端的电容容值，从而延长电容放电时间，保证试品50两端波尾电压为直流电压。通过调波电阻401和调波电容402的组合调节，满足不同电气参数试品50的试验需求，试验装置应用范围广、适用性高。

4、若采用冲击发生器等试验装置对试品50开展试验，由于冲击发生器等试验装置参数已设计定型，其本体电容调节范围有限，当试品电容501容值较大时，试品50两端试验电压幅值可能无法满足要求。本发明中放电电容104为单独布置的可调电容，原则上可以通过不断并联或串联电容达到无限调节容值，当试品电容501容值较大时，通过灵活调节放电电容104容值可以满足试品50两端电压幅值要求，试验装置应用范围广、适用性高。

5、本发明中试品50和放电单元60的组合回路，试品50两端电压的波尾电压时间达到要求值时，触发间隙602导通，试品电容501电压可迅速通过放电电阻二601完成放电，避免试品50长期承受过电压，影响设备安全；若采用用断路器或隔离刀闸替代间隙602，由于断路器和隔离刀闸合闸需要一定时间，将会延长试品50耐受过电压的时间，影响设备安全。

6、试验回路中存在一定的杂散电感，该杂散电感值较小，电压源10输出电压瞬间，电压源10中的放电电容104和杂散电感形成振荡从而产生高陡度的冲击电压，功率半导体开关器件在超过一定陡度的冲击电压作用下会造成器件烧毁，试验回路中增加限流电感30，可有效降低电压源10输出电压瞬间的电压陡度，保护试验回路中功率半导体开关器件，试验回路安全可靠。

附图说明

图1为本发明直流系统开断过电压试验装置的具体实施例一；

图2为本发明直流系统开断过电压试验装置的具体实施例二；

图3为本发明直流系统开断过电压试验装置的具体实施例三；

图4为本发明直流系统开断过电压试验装置的具体实施例四；

图5为本发明试品两端要求的试验电压波形；

图6为本发明试品两端正极性试验电压波形处于微秒级波头阶段的电流回路图；

图7为本发明试品两端负极性试验电压波形处于微秒级波头阶段的电流回路图；

图8为本发明试品两端试验电压波形处于秒级波尾阶段的电流回路图；

图9为本发明试品两端试验电压波形处于试品放电阶段的电流回路图；

其中，10-电压源、20-单向导通单元、30-限流电感、40-调波单元、50-试品、60-放电单元、401调波电阻、402-调波电容、101-充电电源、102-充电开关、103-放电开关、104-放电电容、105-放电电阻一、201-可控功率半导体硅堆一、202-可控功率半导体硅堆二、203-二极管硅堆一、204-二极管硅堆二、501-试品电容、502-试品电阻、601-放电电阻二、602-间隙。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1所示为本发明的一种直流系统开断过电压试验装置的具体实施例一，所述试验装置包括电压源10、单向导通单元20、限流电感30、调波单元40、试品50和放电单元60，所述调波单元40包括调波电阻401，所述调波电阻401为可调电阻；其中：所述电压源10、单向导通单元20、限流电感30、调波电阻401和试品50顺次串联连接，放电单元60和试品50并联连接。

图2所示为本发明的一种直流系统开断过电压试验装置的具体实施例二包括电压源10、单向导通单元20、限流电感30、调波单元40、试品50和放电单元60，调波单元40包括调波电阻401和调波电容402，调波电阻401为可调电阻，调波电容402为可调电容；其中：电压源10、单向导通单元20、限流电感30、调波电阻401和试品50顺次串联连接，放电单元60和试品50并联连接，调波电容402与试品50并联连接。

如图3所示，在优选的实施例三中，所述试验装置包括电压源10、单向导通单元20、限流电感30、调波单元40、试品50和放电单元60，所述调波单元40包括调波电阻401，所述调波电阻401为可调电阻；其中：所述电压源10、单向导通单元20、限流电感30、调波电阻401和试品50顺次串联连接，放电单元60和试品50并联连接。电压源10包括充电电源101、充电开关102、放电开关103、放电电容104和放电电阻一105，放电电容104与相互串联的充电电源101和充电开关102并联，放电电容104与相互串联的放电开关103和放电电阻一105并联；放电电容104为单独布置的可调电容。

其中，单向导通单元20包括可控功率半导体硅堆一201、可控功率半导体硅堆二202、二极管硅堆一203、二极管硅堆二204，可控功率半导体硅堆一201和二极管硅堆一203反向并联，可控功率半导体硅堆二202和二极管硅堆二204反向并联，可控功率半导体硅堆一201和可控功率半导体硅堆二202反向串联；本实施例中可控功率半导体硅堆一201和可控功率半导体硅堆二202中的功率半导体开关器件为晶闸管，可控功率半导体硅堆一201和可控功率半导体硅堆二202采用8.5kv晶闸管器件，均包含70个依次串联的晶闸管器件，每个晶闸管器件均包括相应的均压回路；二极管硅堆一203和二极管硅堆二204采用4.5kv二极管器件，均包含135个依次串联的二极管器件，每个二极管器件均包括相应的均压回路；单向导通单元20对地电位绝缘采用绝缘子支撑。

其中，试品50包括试品电容501和试品电阻502，试品电容501和试品电阻502并联连接。放电单元60包括放电电阻二601和间隙602，放电电阻二601和间隙602串联连接。

如图4所示，在优选的实施例四中，所述试验装置包括电压源10、单向导通单元20、限流电感30、调波单元40、试品50和放电单元60，调波单元40包括调波电阻401和调波电容402，调波电阻401为可调电阻，调波电容402为可调电容；其中：电压源10、单向导通单元20、限流电感30、调波电阻401和试品50顺次串联连接，放电单元60和试品50并联连接，调波电容402与试品50并联连接。电压源10包括充电电源101、充电开关102、放电开关103、放电电容104和放电电阻一105，放电电容104与相互串联的充电电源101和充电开关102并联，放电电容104与相互串联的放电开关103和放电电阻一105并联；放电电容104为单独布置的可调电容。

其中，单向导通单元20包括可控功率半导体硅堆一201、可控功率半导体硅堆二202、二极管硅堆一203、二极管硅堆二204，可控功率半导体硅堆一201和二极管硅堆一203反向并联，可控功率半导体硅堆二202和二极管硅堆二204反向并联，可控功率半导体硅堆一201和可控功率半导体硅堆二202反向串联；本实施例中可控功率半导体硅堆一201和可控功率半导体硅堆二202中的功率半导体开关器件为晶闸管，可控功率半导体硅堆一201和可控功率半导体硅堆二202采用8.5kv晶闸管器件，均包含70个依次串联的晶闸管器件，每个晶闸管器件均包括相应的均压回路；二极管硅堆一203和二极管硅堆二204采用4.5kv二极管器件，均包含135个依次串联的二极管器件，每个二极管器件均包括相应的均压回路；单向导通单元20对地电位绝缘采用绝缘子支撑。

其中，试品50包括试品电容501和试品电阻502，试品电容501和试品电阻502并联连接。放电单元60包括放电电阻二601和间隙602，放电电阻二601和间隙602串联连接。

试品50两端要求的试验电压波形如图5所示，分为三个阶段，分别为微秒级波头阶段、秒级波尾阶段和试品放电阶段。

本发明直流系统开断过电压试验装置的试验方法的具体实施例一，包括如下步骤：

s1001)根据试品50对试验电压波头时间和波尾电压要求，调整调波单元40参数；

s1002)单向导通单元20和放电单元60处于开断状态，启动电压源10，根据试品50的试验电压极性和幅值要求，调节电压源10的输出电压；

s1003)监视试品50两端的电压波形，连通单向导通单元20，电压源10对试品50进行充电，充电完成后关闭电压源10；

s1004)试品50两端电压的波尾电压时间达到要求值时，连通放电单元60，试品50通过放电单元60放电；

s1005)当试品50两端电压波形满足试验要求时，试验结束；当试品50两端电压波形不满足试验要求时，重复s1001)至s1004)步骤，直至试品50两端电压波形满足试验要求，试验结束。

针对图4所示的实施方案和图5所示的试验电压波形要求，本发明还提供一种直流系统开断过电压试验装置的试验方法的具体实施例二，包括如下步骤：

s2001)根据试品50对试验电压波头时间和波尾电压要求，调整调波单元40中调波电阻401的电阻值和调波电容402的电容值；

s2002)单向导通单元20、放电单元60、充电开关102和放电开关103处于开断状态，启动充电电源101，根据试品50上试验电压极性和幅值要求，调节充电电源101的输出电压；连通充电开关102，充电电源101对放电电容104充电，充电完成后断开充电开关102；

s2003)监视试品50两端的电压波形，试品50上试验电压要求正极性时，触发可控功率半导体硅堆一201开通，放电电容104对试品电容501和调波电容402进行充电，电流回路如图6所示，对应图5中试验电压波形的微秒级波头阶段；试品50上试验电压要求负极性时，触发可控功率半导体硅堆二202开通，放电电容104对试品电容501和调波电容402进行充电，电流回路如图7所示，对应图5中试验电压波形的微秒级波头阶段；充电完成后连通放电开关103，放电电容104通过放电电阻一105放电；

s2004)试品电容501和调波电容402充电完成后，试品电容501和调波电容402对试品电阻502放电，电流回路如图8所示，对应图2中试验电压波形的秒级波尾阶段；试品50两端电压的波尾电压时间达到3s的要求值时，连通间隙602，试品电容501和调波电容402通过放电电阻二601放电，电流回路如图9所示，对应图5中试验电压波形的试品放电阶段；

s2005)当试品50两端电压波形满足试验要求时，试验结束；当试品50两端电压波形不满足试验要求时，重复s2001)至s2004)步骤，直至试品50两端电压波形满足试验要求，试验结束。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。所属技术领域的普通技术人员应当理解到：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明提出的技术思想和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明权利要求的范围当中。