基于快速關(guān)合裝置的合成關(guān)合試驗方法及研究

邢 建 羅時聰 范 杰 侯宇飛

（上海電氣輸配電試驗中心有限公司，上海 200072）

基于快速關(guān)合裝置的合成關(guān)合試驗方法及研究

邢 建 羅時聰 范 杰 侯宇飛

（上海電氣輸配電試驗中心有限公司，上海 200072）

設(shè)計了基于快速關(guān)合裝置的全電壓合成關(guān)合試驗回路，核心單元為可控觸發(fā)球隙，并利用Matlab軟件對該回路進行了仿真計算。同時，結(jié)合相關(guān)試驗，驗證了全電壓合成關(guān)合試驗回路的可行性，且具備高成功率、低成本及運行簡便等優(yōu)點。

快速關(guān)合；全電壓；可控觸發(fā)球隙

1 引言

高壓大容量試驗站對斷路器等高壓開關(guān)設(shè)備新產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)和性能測試起著非常重要的作用。隨著電力系統(tǒng)容量、電壓等級的不斷提高，斷路器的關(guān)合、開斷容量也越來越大，直接試驗已經(jīng)不能滿足要求而且也是非常不經(jīng)濟的。受到試驗容量和技術(shù)條件的限制，具有最大預(yù)燃弧時間的短路關(guān)合試驗只能以合成的方式進行，目前在世界范圍內(nèi)只有少數(shù)幾個大功率試驗室能夠進行該項試驗。早在1977年，意大利CESI大功率試驗室便研制出了高試驗參數(shù)的專用關(guān)合開關(guān)并建立工業(yè)性的合成試驗回路[1-2]，其采用的合成試驗線路被IEC采用，并在IEC60427出版物中作為交流高壓斷路器試驗標準推薦使用。

針對本試驗站現(xiàn)有設(shè)備狀況和試驗條件，提出了以可控觸發(fā)球隙等作為快速關(guān)合裝置的合成關(guān)合試驗回路。本文重點闡述了合成關(guān)合試驗中的控制策略及實現(xiàn)方法，并通過完成關(guān)合試驗驗證了試驗回路的正確性。

2 關(guān)合試驗

2.1 關(guān)合試驗簡介

如電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備或輸電線路在未投入運行前就已存在絕緣故障，甚至處于短路狀態(tài)，當斷路器在這種情況下關(guān)合，由于電源電壓的作用，動、靜觸頭在閉合前就會發(fā)生預(yù)擊穿并出現(xiàn)短路電流。在關(guān)合過程中出現(xiàn)短路電流會對斷路器的關(guān)合造成很大斥力，有時會出現(xiàn)觸頭合不到位的情況。此時，觸頭間會形成持續(xù)電弧，造成斷路器的嚴重損壞甚至故障。為了避免出現(xiàn)上述情況，斷路器應(yīng)具有足夠的關(guān)合短路故障的能力，即斷路器的額定短路關(guān)合電流。

2.2 標準對關(guān)合試驗的規(guī)定

GB 1984-2003《高壓交流斷路器》的6.104.2.1款明確規(guī)定，斷路器關(guān)合額定短路關(guān)合電流的能力在試驗方式 T100s中驗證[3]。并列出了兩種極端的情況：在電壓波的峰值處關(guān)合，產(chǎn)生一個對稱的短路電流以及最長的預(yù)擊穿電??；在電壓波的零點關(guān)合，無預(yù)擊穿，產(chǎn)生一個完整的非對稱短路電流。對于斷路器則要求能夠關(guān)合預(yù)擊穿始于外施電壓峰值處而產(chǎn)生的對稱電流，該電流為額定短路開斷電流的對稱分量。同時又加了如下注解：如果電流起始于外施電壓峰值的±15°內(nèi)，則認為短路電流是對稱的。如圖1所示。

圖1 關(guān)合過程

GB/T 4473-2008《高壓交流斷路器的合成試驗》第五章也提出了合成關(guān)合試驗的試驗技術(shù)和方法[4]。表3中規(guī)定對于T100s可選用下列試驗程序：Cssym，Os，Od-t-CdOs-t′-CdOs，兩次 Cd中必須有一次 Cdasy。該程序中，Cssym為在合成回路中要求的外施電壓下對稱電流等于額定短路開斷電流的合閘操作；Os為在合成回路中具有規(guī)定參數(shù)的開斷操作；Od為僅有電流源電壓且有規(guī)定的開斷電流的開斷操作；Cd為在可能小于 GB1984-2003的 6.104.1規(guī)定電壓的電流源電壓的直接回路中的合閘操作；Cdasy為在符合GB1984-2003的6.104.2的額定短路關(guān)合電流的直接回路中且在Cd規(guī)定的條件下的合閘操作；t為操作之間的時間間隔（根據(jù)額定操作順序，0.3s或3min）；t′為操作之間的時間間隔（3min）。

對于斷路器的失步試驗，GB 1984-2003《高壓交流斷路器》的6.110.3中規(guī)定，對于試驗方式OP2中的合-分操作循環(huán)中的合閘操作：工頻電壓應(yīng)為關(guān)合應(yīng)出現(xiàn)在外施電壓峰值的±15°內(nèi)，與T100s試驗相同。若進行合成試驗，則可采用替代的操作順序：Cssym，（Cd）Os，Os，Os。其中 Cssym為全電壓下的C，Cd為低電壓下的合閘操作，也可在空載條件下進行。

綜上所述，在試驗方式T100s和OP2的試驗中需要對斷路器進行全電壓關(guān)合，T100s還必須進行最大非對稱電流關(guān)合。

3 合成關(guān)合試驗回路

3.1 電路原理

關(guān)合最大非對稱短路電流時，斷路器在電壓零點關(guān)合（Cdasy），采用直接試驗回路就可以完成。全電壓關(guān)合試驗（Cssym），要求斷路器在電壓峰值處關(guān)合，產(chǎn)生對稱電流，基于電源容量的限制需要采用合成試驗回路。此時，斷路器的關(guān)合電壓和關(guān)合電流分別由不同的電源提供。

為了實現(xiàn)全電壓關(guān)合，根據(jù)標準設(shè)計了如圖2所示的合成試驗回路。關(guān)合電流和關(guān)合電壓分別由US和CS兩端的電壓UCS提供，I2為初始瞬態(tài)關(guān)合電流，I為對稱關(guān)合電流。

圖2 合成關(guān)合試驗回路

關(guān)合試驗前，關(guān)合裝置球隙兩端電壓為被試斷路器上電壓UCS與電流源電壓US之差；充電完成后，電容器 C1兩端的電壓實際上就是關(guān)合裝置球隙兩端的電壓，主球隙G2必須能耐受住這一電壓。試品關(guān)合時，將在直流電壓源電壓 UCS（即試品額定相電壓峰值）下發(fā)生預(yù)擊穿。此時，電容器C1上已充有與 UCS幾乎相等的電壓，C1通過 R1和 Cr并聯(lián)支路、試品及 C0與放電回路的寄生電感 L0形成第一高頻振蕩放電。回路中雖有三個電容器串聯(lián)但其中Cr遠小于C1和C0，故振蕩頻率主要由Cr及L0決定。由于放電頻率很高，Cr表現(xiàn)的阻抗遠小于電阻R1，故放電電流主要流過Cr，使Cr兩端電壓UCr急劇上升。當 UCr電壓升至小間隙 G1的擊穿電壓時，G1擊穿放電，這一電壓立刻加到電阻R2上，亦即加到主球隙的觸發(fā)間隙g上，對主球隙G2形成強烈的觸發(fā)，從試品預(yù)擊穿到主球隙G2觸發(fā)的整個過程在數(shù)十微秒內(nèi)完成。由于R1和Cr的并聯(lián)支路已被短接，其后就是C1通過C0和試品及L0形成第二高頻振蕩放電，其頻率比前一過程稍低，放電電流仍通過觸發(fā)間隙g，也是觸發(fā)火花的組成部分，但比Cr的放電過程來得慢，所以對主球隙G2的貫穿貢獻不大。且由于第一過程中部分電荷已轉(zhuǎn)移到 C0以及消耗在試品的弧阻和回路的寄生電感上，故第二過程中，C1上電壓比預(yù)擊穿瞬間已稍有衰減。主球隙G2觸發(fā)貫穿后，形成通路，電流源立即經(jīng)過主球隙G2送出流經(jīng)試品的工頻短路關(guān)合電流，從而實現(xiàn)了試品在額定電壓下的關(guān)合試驗。為保護主球隙G2，防止大電流流過時間太長，與之并聯(lián)了一臺輔助開關(guān)。同時，當試品未進行關(guān)合操作時，為防止主球隙 G2誤動，使電壓源高電壓加載到電流源回路上去，則需在電流源側(cè)設(shè)置一保護球隙G。

3.2 參數(shù)選擇

為了保證上述原理電路的實現(xiàn)，需對回路參數(shù)合理選擇，筆者利用Matlab軟件對試驗回路進行了仿真計算。

在試品預(yù)擊穿瞬間，合成關(guān)合回路的等值電路圖如圖3所示，相當于 C1對 Cr及 C0充電，其中C1=0.75μF，Cr=0.026μF，C0=2.0μF，L0≈7μH。該回路的固有頻率為

圖3 預(yù)擊穿瞬間回路等值電路圖

當Cr兩端電壓達到小間隙G1的自放電電壓后，G1和g先后貫穿，合成關(guān)合回路中Cr和R1被短接，此時的等值電路圖如圖4所示，相當于C1對C0放電，此時回路的固有頻率為

圖4 小間隙貫穿后回路等值電路圖

當CS上充電電壓為103kV時，我們可以得到

對于 126kV及以下電壓等級的試品，在進行T100s試驗方式中的全電壓關(guān)合時可以采用如圖2所示的試驗回路進行試驗。而對于126kV及以上電壓等級的試品進行失步關(guān)合試驗時，由于電壓回路充電電壓較高，我們將采取如圖5所示的試驗回路進行試驗。

圖5 雙球隙合成關(guān)合試驗回路

3.3 試驗回路的調(diào)試及分析

在理論分析和仿真計算的基礎(chǔ)上，筆者對全電壓合成關(guān)合試驗回路進行了調(diào)試。在調(diào)試之前，我們做了大量的準備工作，包括被試品的關(guān)合特性，驗證試品關(guān)合時預(yù)擊穿的穩(wěn)定性以及局部回路過電壓的驗證試驗等等。達到預(yù)定目標后，筆者對合成關(guān)合試驗回路進行完整的系統(tǒng)帶電調(diào)試。調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)較多的問題集中在試品預(yù)擊穿后，可控觸發(fā)球隙不能貫穿或者貫穿的時延較大，使得電流源提供的短路關(guān)合電流不能在標準規(guī)定的時間內(nèi)流經(jīng)試品，導(dǎo)致試驗失敗。

為了解決調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，對試驗回路進行了分析，發(fā)現(xiàn)存在幾點不足。首先，試驗回路中的母線過長，導(dǎo)致放電回路中寄生電感 L0比較大，這樣回路的頻率就會降低，使得小間隙G1、觸發(fā)間隙g及主球隙G2兩端電壓上升速率較低，延長了球隙的放電時間。其次，試驗回路中的C0較小，在UCS對C1充電過程中會起到分壓的作用，這樣就會降低電容器C1兩端的電壓UC1，也即主球隙G2的端電壓，對主球隙貫穿產(chǎn)生不利的影響。為了克服這些不利因素，筆者對試驗回路進行了改造。將快速關(guān)合裝置與電容器 C0等設(shè)備均置于試品附近，盡量縮短試驗回路中的連接線，減小回路中的寄生電感 L0。同時，增大試驗回路中的 C0值，使電容器 C1上的電壓與UCS幾乎相等，提高主球隙G2貫穿的效率。

在完成這些改造后，對試驗回路再一次的調(diào)試，以期解決關(guān)合裝置觸發(fā)點火控制的穩(wěn)定性和準確性問題。調(diào)試結(jié)果為可控觸發(fā)球隙在試品預(yù)擊穿后立即貫穿，電流源提供的關(guān)合電流迅速流經(jīng)試品，調(diào)試成功。值得一提的是，因為被試斷路器關(guān)合發(fā)生預(yù)擊穿時刻有一定的不確定性，為了使試品在電流源電壓峰值時刻關(guān)合，有可能需要進行多次試驗。

4 126kV SF6斷路器的合成關(guān)合試驗

GB/T 4473-2008《高壓交流斷路器的合成試驗》中5.2.3規(guī)定，在關(guān)合電壓Uh為交流電源的情況下，關(guān)合裝置時延tm應(yīng)盡可能地短且在任何情況下不得長于 300μs。

為此，筆者通過T100s全電壓關(guān)合試驗對前述關(guān)合試驗回路進行了驗證。試驗時采用的試品為戶外高壓交流 SF6斷路器，其額定電壓為 126kV，額定電流為3150A，額定短路關(guān)合電流為40kA。試驗回路如圖2所示。

經(jīng)多次試驗驗證，從預(yù)擊穿開始到短路大電流的引入時延在50～80μs之間，圖6為現(xiàn)場試驗時的波形圖。

圖6 T100s全電壓關(guān)合試驗波形圖

后來，筆者又利用如圖5所示的試驗回路完成了該臺斷路器的失步關(guān)合試驗，其波形圖如圖7所示。

圖7 失步關(guān)合試驗波形圖

5 結(jié)論

全電壓關(guān)合試驗是高壓交流斷路器型式試驗的必試項目，對試驗回路及設(shè)備有特殊要求，必須有可靠的高精度關(guān)合裝置。全電壓合成關(guān)合試驗時，試品在電壓源的作用下發(fā)生預(yù)擊穿燃弧的同時，快速關(guān)合裝置在滿足關(guān)合條件的前提下應(yīng)隨即貫穿，使試品由電壓源作用下迅速地轉(zhuǎn)入電流源作用。本文提出的以可控觸發(fā)球隙為主體的快速關(guān)合裝置基礎(chǔ)上構(gòu)建的全電壓合成關(guān)合試驗回路具有很高的成功率，且運行簡便，成本較低，能夠滿足標準的相關(guān)規(guī)定。

[1] ALDROVANDI G, BONFANTI I, KUHNHARDT G, et al. New Application of Synthetic Circuit Development in CESI and IPH [C]// CIGRE Session, Pairs, 1992: 201.

[2] MANGANARO S, ROVELLI S. A New Circuit for Synthetic Auto-reclosing Test Duties under Short Circuit Condition on High-power Circuit-breakers[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1977, 96(5): 1620-1630.

[3] GB1984-2003. 高壓交流斷路器[S].

[4] GB/T 4473-2008. 高壓交流斷路器的合成試驗[S].

Synthetic Making Test Method and Research Based on Quick-making Device

Xing Jian Luo Shicong Fan Jie Hou Yufei
(Shanghai Power Transmission & Distribution Testing Center Co., Ltd, Shanghai 200072)

A full-voltage synthetic making test circuit was designed based on quick-making device. The core unit were controllable triggered gaps. The test circuit was simulated and calculated with matlab. At the same time, it was verified the feasibility of the full-voltage synthetic making test circuit through a series of tests. And the circuit had many merits, such as high success rate, low cost,simple operation and so on.

quick-making；full-voltage；controllable triggered gaps