【论文推荐】国网经研院文卫兵，魏争等：500 kV直流断路器快速机械开关典型故障特性及可靠性提升方法研究

直流断路器是构建柔性直流电网不可或缺的关键设备，快速机械开关是其核心组件，设计研制难度大，任一环节出现问题均会影响直流断路器乃至柔直电网的安全可靠运行。目前快速机械开关存在设计选型不合理、工艺管控不严格、试验考核不完善等问题，导致在实际工程应用中故障率较高。本文针对已应用于张北柔性直流电网试验示范工程的500kV直流断路器，分析了快速机械开关典型故障的特性及原因。在此基础上，围绕典型故障从设计选型、生产制造、试验考核等方面入手，有针对性地提出可靠性提升措施，为500 kV直流断路器快速机械开关设计研制和运维检修提供了指导和依据。

已有关于直流断路器的研究大多聚焦于拓扑结构和参数设计等方面，鲜有针对设备可靠性提升方法的研究。本文围绕直流断路器核心组件快速机械开关在实际工程中的真实故障案例，分析了典型故障特性及原因，从设计、制造、试验三个方面提出了可靠性提升措施，成果已应用于张北柔直工程，为直流断路器快速机械开关可靠性提升和运维检修提供了指导和依据。

已投入工程应用的500 kV直流断路器主要包含混合式、负压耦合式和机械式三种技术路线。每种技术路线直流断路器均由主支路、转移支路和耗能支路三个并联部分组成，通过三个支路按照设定时序完成内部换流，实现直流电流的开断。

500 kV直流断路器快速机械开关的断口串联数通常为8~12个。每个机械开关断口包含真空灭弧室、操作机构、均压设备、储能及控制单元、供能系统等组件。直流断路器快速机械开关动作速度快，电气应力严酷，内部电、磁、力、热多种物理量相互耦合，设计研制和质量管控难度大。以张北工程为例，与传统交流断路器等常规机械开关相比，直流断路器快速机械开关的主要技术特点及不同设计之处包括：触头运动速度快、触头冲击力大、多断口一致性要求高、触头运动过程中断口需要耐受高电压、过电流耐受要求高、储能及控制单元可靠性及抗电磁干扰要求高。

快速机械开关固封极柱典型故障涉及灭弧室和封装紧固件两个方面，主要因设备机械强度、通流性能不足导致。操作机构典型故障涉及主体结构和位置传感器两个方面，主要因组件抗冲击性、结构稳定性、制造和安装精度不足导致。储能及控制单元典型故障主要涉及储能回路和控制单元两个方面，主要因参数设计不合理、分散性管控不严格、控制策略不完善导致。供能系统典型故障主要为变压器绝缘击穿，主要因变压器线圈设计不合理、绕线工艺管控不严格、试验检测和监控措施不完善导致。

围绕现有直流断路器快速机械开关在固封极柱、操作机构、储能和控制单元、供能系统四个方面存在的设计隐患及质量管控薄弱环节，从设计、制造、试验三个方面提出针对性的可靠性提升措施。研究成果已应用于张北工程直流断路器的升级改造，为500 kV直流断路器快速机械开关可靠性提升和运维检修提供了指导和依据，为直流断路器及柔性直流电网可靠稳定运行提供了保障。

魏争

文卫兵

杨勇

张涛

陈争光