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摘要:简单介绍了直流系统的现状及其对变电站设备安全稳定运行的重要性，以及直流断路器的检测现状。同时为了了解直流断路器的保护特性，介绍了一种小型移动式测试直流断路器保护特性的装置，进行了装置的软硬件的设计和实现,并进行了精度测试。该装置能够实现任意电流下的保护特性测试及数据记录、分析，为断路器的工作状态的判断和保护等级选择配合提供了重要依据。
关键词：直流系统；直流断路器；脱扣特性；越级误动
1．前言
为了保证电力系统的正常运行和进行事故处理，可靠的直流电源是必不可缺少的，它给在正常运行中的电力设备提供控制、保护、信号电源，高压断路器才可以正常操作，尤其是当电力系统事故、交流电源停电时，更需要一套安全可靠的直流电源，它除了给上述负荷供电外，还要给直流电动机、事故照明及UPS等负荷供电，才能保证电力系统的事故处理和恢复供电。
随着电网规模的发展，电力设备的安全性、可靠性及自动化水平不断提高，变电站直流电源系统的稳定性问题日益突出。变电站的控制负荷和动力负荷对直流电源的要求越来越高，对保护电器的过载保护和短路保护也愈来愈严格，尤其是严禁保护电器的越级误动，将会对电力设备的稳定运行，防止系统故障、事故波及范围扩大甚至造成大面积停电事故起到非常重要的作用。国家电网公司《预防直流电源系统事故措施》第4.3条规定：“直流系统熔断器应分级配置，上下级熔体应满足选择性配合要求。一个站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一制造厂系列产品。使用前宜进行安秒特性和动作电流抽检，同一条支路上的空气开关和熔断器不宜混合使用。”国家电网公司《十八项电网重大反事故措施》第十三项也提出了对各种断路器、熔断器的事故预防和管理工作要求。
经过调查分析，发生越级误动的原因主要是直流断路器选择不合理和断路器性能不稳定等。因此有必要对直流断路器的保护性能进行测试，确定在不同短路电流下断路器的脱扣时间，有效地对直流断路器保护特性以及保护等级选择配合等进行分析，以便核对直流系统上下级断路器间的级差配合是否合理[2]。
2．直流断路器检测现状
国内直流断路器保护特性的检测主要存在以下两方面的问题：
一方面，电力系统中使用的直流断路器都是生产厂家在设备出厂时提供的数据，现场检修维护人员不具备相关检测手段，难以确认其保护特性是否符合要求。而且运行时间证明，随时间的推移，设备的保护特性也会发生改变，特别是运行时间超过三年后，设备的技术指标发生很大变化，结果是断路器因特性发生改变，从而造成误动或拒动。
另一方面，国内进行直流断路器保护特性的检查设备均为固定设备，比如固定式大电流直流电源、大型负载电阻等。缺点是体积大，重量重，无法移动监测。分析仪器均为常规设备如电压表、电流表、示波器等，接线复杂，使用不便，不适合变电站使用。
因此有必要研制出一套比较方便的测试装置，能够很方便的得到直流断路器的脱扣特性曲线。
3．测試装置的结构及测试原理
3.1装置的硬件结构
该装置采用一体化结构设计，体积小、重量轻，方便车载运输及在各变电站移动检测。该装置可提供0A～500A大电流，能单独完成小型直流断路器检测，试验数据可上传至计算机，也可以由计算机控制操作，试验数据直接保存到计算机中，由专用软件进行分析、比较、打印等。
主机系统原理如图1所示，主要由电源、控制电路、显示和输入设备、RS232及U盘接口、散热风机等组成。其中电源采用高可靠大功率开关电源。其原理如图2所示。
3.2软件设计及功能
软件的设计包括主机软件和上位机软件两部分。主机软件主要功能有断路器开断特性测试、历史数据查询、数据上传、计算机控制操作、数据核对、数据拷贝到U盘等功能。其中断路器开断特性测试部分的流程图如图3所示。
上位机软件包括场站管理，设备台帐，通信设置，现场试验，数据上传、记录查询等几个功能模块。通过RS232数据线将笔记本电脑和装置连接起来，然后将装置的程序选择计算机控制操作。即可实现实时控制装置，同时还可以实现数据上传、保存、打印等功能。
3.3测试原理
3.3.1直流断路器的工作原理
直流断路器的主要功能就是熄灭电弧和消耗系统中电感储存的能量，同时需要抑制过电压保护系统设备。目前直流断路器开断的方法有增大电弧电压法、分段串接入限流电阻法、磁场控制气体放电管断流法、迭加振荡电流法、电流转移法。目前实际应用较多的直流断路器都采用迭加振荡电流法开断，图5所示为采用迭加振荡电流法工作的直流断路器原理图。图中，CB为断路器灭弧室内的动静触头；C-L为电容电感回路，吸能装置为ZnO避雷器。当断路器打开时，产生电弧。由于电弧的负阻性和自持性，在电弧电压的作用下，则会在C-L回路中激发一个频率较高的振荡电流。当振荡电流在某一时刻的幅值大于电弧电流时，灭弧介质恢复，电弧熄灭。在电弧自持燃烧阶段，当电容两端的电压达到避雷器的动作阀值时，ZnO动作。由于避雷器良好的非线性,开断回路中的电流将流过避雷器的阀片，阀片受热升温，将能量吸收[3]。
图4采用迭加振荡电流法的直流断路器工作原理图
3.3.2保护特性测试仪的检测依据
在GB10963－1999《家用及类似场所用过电流保护断路器》第9.10条明确规定断路器应做脱扣特性试验。其中要验证的试验有 [6]：
（1）时间－电流特性试验
从冷态开始，对断路器的各极通等于1.13In（约定不脱扣电流，In代表断路器的额定电流）的电流至约定时间，断路器不应脱扣。然后在5s内把电流稳定地升至1.45In（约定脱扣电流），断路器应在约定时间内脱扣。
从冷态开始，对断路器的各极通等于2.55In的电流，断开时间应大于1s，小于60s（对额定电流小于或等于32A者）或小于120s（对于额定电流大于32A者）
（2）.瞬时脱扣试验
① 对于B型断路器：从冷态开始，对断路器各极通等于3In的电流，断开时间应大于0.1s。然后再从冷态开始，对断路器各极通等于5In的电流，断路器应在0.1s时间内脱扣。
② 对于C型断路器：从冷态开始，对断路器各极通等于5In的电流，断开时间应大于0.1s。然后再从冷态开始，对断路器各极通等于10In的电流，断路器应在0.1s时间内脱扣。
③ 对于D型断路器：从冷态开始，对断路器各极通等于10In的电流。断开时间应大于0.1s 。然后再从冷态开始，对断路器各极通等于50In的电流，断路器应在0.1s时间内脱扣。
这两个试验均应满足时间－电流动作特性表。根据以上数据我们编制程序绘出断路器脱扣特性曲线，即图5中两条黑色曲线，从而把国标进行图形化，使用户能够更直观的看出断路器的脱扣特性。
在特性曲线左侧是不脱扣区域，此区域属于正常工作条件，断路器闭合承载电流。在特性曲线带右侧及上方是脱扣区域，属于非正常操作情况，断路器应可靠地分断过电流或短路电流。曲线2、4是过载脱扣器特性曲线段，曲线4是过载脱扣器动作机构开始启动的平均时间，曲线2是过载脱扣器最长的分断时间，在曲线段1的左右两端是垂直于电流轴的直线，最左侧的直线对应的电流叫不脱扣电流，一般为1.05In或1.13In，当In≤63A时脱扣器的不脱扣时间应大于1h，当In>63A是脱扣器的不脱扣时间应大于2h。曲线带1最右侧的直线对应的电流叫脱扣电流，一般为1.3In或1.45In，当In≤63A时脱扣器的脱扣时间应小于1h，当In>63A是脱扣器的脱扣时间应小于2h。曲线带3的两边垂直于I轴的直线，最左侧的曲线对应的电流为瞬时不脱扣电流值，在此电流下脱扣器应在0.1s内不脱扣。曲线带3最右侧的曲线对应的电流为瞬时脱扣电流值，在此电流值的作用下脱扣器应在0.1s内脱扣。对于不同的断路器此区域带的不脱扣电流值及脱扣电流值不同。对于小型断路器A型：瞬时脱扣电流范围为2-3倍，在曲线带3最左侧的直线对应的电流为2In即不脱扣电流，最右侧的直线对应的电流为3In即脱扣电流；B型断路器的瞬时脱扣器的脱扣电流为3~5倍；C断路器的瞬时脱扣器的脱扣电流为5~10倍；D断路器的瞬时脱扣器的脱扣电流为10~20倍。在图中曲线所夹的区域中脱扣器可能是脱扣状态或未脱扣状态。
3.4装置的误差分析
为了验证电源的精度，先设定电流的输出值，然后再测量实际输出电流值，测量数据如表1所示。由表可以看出输出电流精度≤2%，满足其设计要求。
为了检验其时间精度，在电流输出端子上串联一个50A的直流断路器，根据通过电流的不同，断路器在相应的时间内断开，电流消失。测试仪内部电流互感器上的电压与输出电流同时产生、同时消失，以此电压为采样物理量，记录其从产生到消失的时间，与测试仪自己测量的时间对比，测量误差应在1ms以内。试验结果如表2所示，从表中可以看出满足时间精度的要求。
4．现场应用情况
2008年8月，使用本项目研制的直流空气断路器开断特性测试仪在洛阳供电公司对各类直流断路器进行了实验检测。对7台西门子直流断路器试验，其中有5SJ52C16A一台、5SJ52C25A三台、5SJ52C32A三台，经测试，该公司断路器电流-时间特性基本满足国标要求，只是额定电流较小的断路器在大电流时动作时间偏长（300mS~500mS之间）。图6为西门子5SJ52 C16A 断路器测试结果。对5台梅兰日兰断路器进行试验，其中有C65H-DCC1A一台、C65H-DCC3A两台、C65H-DCC25A两台。经测试，该公司断路器电流-时间动作特性也满足国标要求，并且在大电流时动作时间比较短（10ms~200ms之间）。对3台人民电器固安祥GM32M-2300RC40A直流空气断路器进行试验，该公司断路器电流-时间动作特性也满足国标要求，并且在各种电流情况下动作时间均比较快，比较适合电力系统安全要求。另外，我们对ABB电气的断路器也进行了测试，经测试，该公司断路器在小电流时的电流-时间特性也基本满足国标要求，但在大电流（10In及以上）时，动作时间很长（超过1秒钟）。
通过对上面断路器的测试分析表明，梅兰日兰的直流断路器及人民电器的固安祥品牌直流断路器比较适合电力系统使用，西门子的小額定电流断路器短路电流动作时间偏长，在做上下级级差配合选择时一定要谨慎选择。
图6西门子 5SJ52 C16A 断路器测试结果
5．结论
直流断路器保护特性测试仪有效地解决了直流断路器的现场检测问题。该装置能够实现任意电流下的保护特性测试及数据记录、分析，为断路器的工作状态的判断和保护等级选择配合提供了重要依据，有效地保障了直流系统的安全可靠运行。通过现场实际应用，该装置运行稳定可靠，操作简单，使用方便，能够准确得到断路器的时间-电流特性，非常适合变电站现场检测使用。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：直流系统；直流断路器；脱扣特性；越级误动
1．前言
为了保证电力系统的正常运行和进行事故处理，可靠的直流电源是必不可缺少的，它给在正常运行中的电力设备提供控制、保护、信号电源，高压断路器才可以正常操作，尤其是当电力系统事故、交流电源停电时，更需要一套安全可靠的直流电源，它除了给上述负荷供电外，还要给直流电动机、事故照明及UPS等负荷供电，才能保证电力系统的事故处理和恢复供电。
随着电网规模的发展，电力设备的安全性、可靠性及自动化水平不断提高，变电站直流电源系统的稳定性问题日益突出。变电站的控制负荷和动力负荷对直流电源的要求越来越高，对保护电器的过载保护和短路保护也愈来愈严格，尤其是严禁保护电器的越级误动，将会对电力设备的稳定运行，防止系统故障、事故波及范围扩大甚至造成大面积停电事故起到非常重要的作用。国家电网公司《预防直流电源系统事故措施》第4.3条规定：“直流系统熔断器应分级配置，上下级熔体应满足选择性配合要求。一个站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一制造厂系列产品。使用前宜进行安秒特性和动作电流抽检，同一条支路上的空气开关和熔断器不宜混合使用。”国家电网公司《十八项电网重大反事故措施》第十三项也提出了对各种断路器、熔断器的事故预防和管理工作要求。
经过调查分析，发生越级误动的原因主要是直流断路器选择不合理和断路器性能不稳定等。因此有必要对直流断路器的保护性能进行测试，确定在不同短路电流下断路器的脱扣时间，有效地对直流断路器保护特性以及保护等级选择配合等进行分析，以便核对直流系统上下级断路器间的级差配合是否合理[2]。
2．直流断路器检测现状
国内直流断路器保护特性的检测主要存在以下两方面的问题：
一方面，电力系统中使用的直流断路器都是生产厂家在设备出厂时提供的数据，现场检修维护人员不具备相关检测手段，难以确认其保护特性是否符合要求。而且运行时间证明，随时间的推移，设备的保护特性也会发生改变，特别是运行时间超过三年后，设备的技术指标发生很大变化，结果是断路器因特性发生改变，从而造成误动或拒动。
另一方面，国内进行直流断路器保护特性的检查设备均为固定设备，比如固定式大电流直流电源、大型负载电阻等。缺点是体积大，重量重，无法移动监测。分析仪器均为常规设备如电压表、电流表、示波器等，接线复杂，使用不便，不适合变电站使用。
因此有必要研制出一套比较方便的测试装置，能够很方便的得到直流断路器的脱扣特性曲线。
3．测試装置的结构及测试原理
3.1装置的硬件结构
该装置采用一体化结构设计，体积小、重量轻，方便车载运输及在各变电站移动检测。该装置可提供0A～500A大电流，能单独完成小型直流断路器检测，试验数据可上传至计算机，也可以由计算机控制操作，试验数据直接保存到计算机中，由专用软件进行分析、比较、打印等。
主机系统原理如图1所示，主要由电源、控制电路、显示和输入设备、RS232及U盘接口、散热风机等组成。其中电源采用高可靠大功率开关电源。其原理如图2所示。
3.2软件设计及功能
软件的设计包括主机软件和上位机软件两部分。主机软件主要功能有断路器开断特性测试、历史数据查询、数据上传、计算机控制操作、数据核对、数据拷贝到U盘等功能。其中断路器开断特性测试部分的流程图如图3所示。
上位机软件包括场站管理，设备台帐，通信设置，现场试验，数据上传、记录查询等几个功能模块。通过RS232数据线将笔记本电脑和装置连接起来，然后将装置的程序选择计算机控制操作。即可实现实时控制装置，同时还可以实现数据上传、保存、打印等功能。
3.3测试原理
3.3.1直流断路器的工作原理
直流断路器的主要功能就是熄灭电弧和消耗系统中电感储存的能量，同时需要抑制过电压保护系统设备。目前直流断路器开断的方法有增大电弧电压法、分段串接入限流电阻法、磁场控制气体放电管断流法、迭加振荡电流法、电流转移法。目前实际应用较多的直流断路器都采用迭加振荡电流法开断，图5所示为采用迭加振荡电流法工作的直流断路器原理图。图中，CB为断路器灭弧室内的动静触头；C-L为电容电感回路，吸能装置为ZnO避雷器。当断路器打开时，产生电弧。由于电弧的负阻性和自持性，在电弧电压的作用下，则会在C-L回路中激发一个频率较高的振荡电流。当振荡电流在某一时刻的幅值大于电弧电流时，灭弧介质恢复，电弧熄灭。在电弧自持燃烧阶段，当电容两端的电压达到避雷器的动作阀值时，ZnO动作。由于避雷器良好的非线性,开断回路中的电流将流过避雷器的阀片，阀片受热升温，将能量吸收[3]。
图4采用迭加振荡电流法的直流断路器工作原理图
3.3.2保护特性测试仪的检测依据
在GB10963－1999《家用及类似场所用过电流保护断路器》第9.10条明确规定断路器应做脱扣特性试验。其中要验证的试验有 [6]：
（1）时间－电流特性试验
从冷态开始，对断路器的各极通等于1.13In（约定不脱扣电流，In代表断路器的额定电流）的电流至约定时间，断路器不应脱扣。然后在5s内把电流稳定地升至1.45In（约定脱扣电流），断路器应在约定时间内脱扣。
从冷态开始，对断路器的各极通等于2.55In的电流，断开时间应大于1s，小于60s（对额定电流小于或等于32A者）或小于120s（对于额定电流大于32A者）
（2）.瞬时脱扣试验
① 对于B型断路器：从冷态开始，对断路器各极通等于3In的电流，断开时间应大于0.1s。然后再从冷态开始，对断路器各极通等于5In的电流，断路器应在0.1s时间内脱扣。
② 对于C型断路器：从冷态开始，对断路器各极通等于5In的电流，断开时间应大于0.1s。然后再从冷态开始，对断路器各极通等于10In的电流，断路器应在0.1s时间内脱扣。
③ 对于D型断路器：从冷态开始，对断路器各极通等于10In的电流。断开时间应大于0.1s 。然后再从冷态开始，对断路器各极通等于50In的电流，断路器应在0.1s时间内脱扣。
这两个试验均应满足时间－电流动作特性表。根据以上数据我们编制程序绘出断路器脱扣特性曲线，即图5中两条黑色曲线，从而把国标进行图形化，使用户能够更直观的看出断路器的脱扣特性。
在特性曲线左侧是不脱扣区域，此区域属于正常工作条件，断路器闭合承载电流。在特性曲线带右侧及上方是脱扣区域，属于非正常操作情况，断路器应可靠地分断过电流或短路电流。曲线2、4是过载脱扣器特性曲线段，曲线4是过载脱扣器动作机构开始启动的平均时间，曲线2是过载脱扣器最长的分断时间，在曲线段1的左右两端是垂直于电流轴的直线，最左侧的直线对应的电流叫不脱扣电流，一般为1.05In或1.13In，当In≤63A时脱扣器的不脱扣时间应大于1h，当In>63A是脱扣器的不脱扣时间应大于2h。曲线带1最右侧的直线对应的电流叫脱扣电流，一般为1.3In或1.45In，当In≤63A时脱扣器的脱扣时间应小于1h，当In>63A是脱扣器的脱扣时间应小于2h。曲线带3的两边垂直于I轴的直线，最左侧的曲线对应的电流为瞬时不脱扣电流值，在此电流下脱扣器应在0.1s内不脱扣。曲线带3最右侧的曲线对应的电流为瞬时脱扣电流值，在此电流值的作用下脱扣器应在0.1s内脱扣。对于不同的断路器此区域带的不脱扣电流值及脱扣电流值不同。对于小型断路器A型：瞬时脱扣电流范围为2-3倍，在曲线带3最左侧的直线对应的电流为2In即不脱扣电流，最右侧的直线对应的电流为3In即脱扣电流；B型断路器的瞬时脱扣器的脱扣电流为3~5倍；C断路器的瞬时脱扣器的脱扣电流为5~10倍；D断路器的瞬时脱扣器的脱扣电流为10~20倍。在图中曲线所夹的区域中脱扣器可能是脱扣状态或未脱扣状态。
3.4装置的误差分析
为了验证电源的精度，先设定电流的输出值，然后再测量实际输出电流值，测量数据如表1所示。由表可以看出输出电流精度≤2%，满足其设计要求。
为了检验其时间精度，在电流输出端子上串联一个50A的直流断路器，根据通过电流的不同，断路器在相应的时间内断开，电流消失。测试仪内部电流互感器上的电压与输出电流同时产生、同时消失，以此电压为采样物理量，记录其从产生到消失的时间，与测试仪自己测量的时间对比，测量误差应在1ms以内。试验结果如表2所示，从表中可以看出满足时间精度的要求。
4．现场应用情况
2008年8月，使用本项目研制的直流空气断路器开断特性测试仪在洛阳供电公司对各类直流断路器进行了实验检测。对7台西门子直流断路器试验，其中有5SJ52C16A一台、5SJ52C25A三台、5SJ52C32A三台，经测试，该公司断路器电流-时间特性基本满足国标要求，只是额定电流较小的断路器在大电流时动作时间偏长（300mS~500mS之间）。图6为西门子5SJ52 C16A 断路器测试结果。对5台梅兰日兰断路器进行试验，其中有C65H-DCC1A一台、C65H-DCC3A两台、C65H-DCC25A两台。经测试，该公司断路器电流-时间动作特性也满足国标要求，并且在大电流时动作时间比较短（10ms~200ms之间）。对3台人民电器固安祥GM32M-2300RC40A直流空气断路器进行试验，该公司断路器电流-时间动作特性也满足国标要求，并且在各种电流情况下动作时间均比较快，比较适合电力系统安全要求。另外，我们对ABB电气的断路器也进行了测试，经测试，该公司断路器在小电流时的电流-时间特性也基本满足国标要求，但在大电流（10In及以上）时，动作时间很长（超过1秒钟）。
通过对上面断路器的测试分析表明，梅兰日兰的直流断路器及人民电器的固安祥品牌直流断路器比较适合电力系统使用，西门子的小額定电流断路器短路电流动作时间偏长，在做上下级级差配合选择时一定要谨慎选择。
图6西门子 5SJ52 C16A 断路器测试结果
5．结论
直流断路器保护特性测试仪有效地解决了直流断路器的现场检测问题。该装置能够实现任意电流下的保护特性测试及数据记录、分析，为断路器的工作状态的判断和保护等级选择配合提供了重要依据，有效地保障了直流系统的安全可靠运行。通过现场实际应用，该装置运行稳定可靠，操作简单，使用方便，能够准确得到断路器的时间-电流特性，非常适合变电站现场检测使用。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。