GIS組合電器動特性分析方法的應用

梁煜健++高宜凡++梁若文++梁炳鈞

摘 要 GIS組合電器具有良好的封閉性和絕緣性能，同時具有可靠的操作機構，但GIS組合開關做斷路器動特性測試時，往往需要通過出線套管處接信號線取樣，或將接地開關引出的接地排拆除，才能滿足測量條件，實施十分困難，存在作業人員感電事故風險。若檢修狀態下斷路器斷口兩端通過接地開關以及接地體短接，使用傳統斷路器動特性測試儀在斷路器斷口兩端檢測，無論斷路器處于什么狀態，檢測結果始終是閉合狀態，為解決這一問題，本文詳細介紹了基于變壓器模型理論的GIS組合電器動特性分析方法，并延伸到對隔離開關、接地開關的測試，通過技術手段將該項反措落實。

【關鍵詞】GIS組合電器 動特性

高壓斷路器是開關電器中最為關鍵的一種電氣設備，其作為絕緣和滅弧的裝置，是發電廠和變電站中必不可少的電氣設備。高壓斷路器在電力系統中肩負著控制和保護雙重任務，其狀態的好壞直接影響著電力系統的安全運行。高壓斷路器目前在檢修時是兩端通過接地刀閘連接大地，由于大地導通電阻很小，通常小于200毫歐，普通開關測試儀檢測斷口分合情況時，無論斷口是斷開或是閉合狀態，均檢測為斷口閉合狀態。使用普通開關測試儀測試，必須違章操作。本文通過研究的GIS組合電器動特性分析儀，解決了高壓斷路器兩端在電氣安全保護接地的狀態下的一種新型高壓開關斷口測試方法，并通過大量的試驗，驗證了方法的實用性和準確性。

1 GIS組合電器動特性分析儀設計原理

GIS組合電器動特性分析儀以變壓器模型為設計理論，通過兩組變壓器的高頻信號耦合，得到動特性的各項指標，原理如圖1所示。

在接地刀閘的通流本體上，安裝高頻信號發生傳感器，即采用開口鐵芯線圈環抱固定，構成第一變壓器模型的一次繞組，接地刀閘通流本體構成第一變壓器模型的二次單匝線圈。同時接地刀閘通流本體又構成了第二變壓器模型的一次單匝線圈，在另一側接地刀閘的通流本體上，安裝高頻信號接收傳感器，即采用開口鐵芯線圈環抱固定，構成第二變壓器模型的二次繞組。

在第一變壓器模型的一次線圈的兩端施加高頻交流電源Us，建立電磁場，為達到一定的時間分辨率，選擇合適的電源頻率。二次單匝線圈就會產生一個對應的感應電動勢Up。

假定開關閉合后的回路電阻為r，輔助觸頭的電阻為R，那么：

合閘前的電流i=0；

主觸頭合上后的電流i=Up/r。

在接地刀閘（或接地線）的通流本體上，套入鉗形電流取樣器，即通用的鉗形電流傳感器，測到二次單匝導體的感應電流。分閘狀態，由于電流回路開路，電流不能建立，合閘狀態就會產生電磁耦合電流。對測試到的電磁耦合電流進行常規的高速采樣錄波，得到所需要的測量波形。電流波形開始建立的時刻，就是觸頭導通的時刻；電流波形開始消失的時刻，就是觸頭分斷的時刻。

2 斷路器兩端接地分合閘信號采集處理

GIS組合電器動特性分析儀的技術關鍵與難點是采集信號處理，具體實現方法如下：

高壓斷路器的動靜觸頭、與動靜觸頭相連的地刀以及與兩地刀相連的地網共同形成變壓器模型中的環形鐵心，該儀器在地刀卡入兩把卡鉗，其中一把卡鉗為輸入電流信號卡鉗（相當于變壓器原邊），另外一把卡鉗為輸出采集信號卡鉗（相當于變壓器次邊）。當高壓斷路器合閘時，上述環形鐵心閉合，變壓器模型處于工作狀態，采集信號卡鉗能夠采集到信號，并以此判斷為斷路器合閘；當高壓斷路器分閘時，上述環形鐵心沒有閉合，變壓器模型處于不工作狀態，采集信號卡鉗采集不到信號，并以此判斷為斷路器分閘。

由于各個變電站的地網結構不一樣，地刀引線長度、粗細等都將影響變壓器模型中的環形鐵心，從而影響采集信號卡鉗能夠采集到信號的信號質量，增加了高壓斷路器合分閘判據的界定難度。變壓器模型中的環形鐵心的阻抗包括交流阻抗和直流阻抗，在斷路器兩端接地狀態下影響更大的是交流阻抗。

環形鐵心介質的感應電流公式為：

式中，U為輸入信號卡鉗的電流對環形鐵心介質產生的感應電動勢、R為環形鐵心介質的直流阻抗、π為圓周率常數、f為雙端接地測試使用的信號頻率、L為地網的電感值、j為虛數。

由于GIS組合電器動特性分析儀使用的10kHZ信號頻率的存在，導致感抗遠大于直流阻抗（直流阻抗一般很小，如幾十到幾百毫歐），這樣導致環形鐵心介質內的感應電流的減低，該較低的感應電流將對接收信號鉗產生較低的有用信號，從而導致雙端接地測量信息采集的難度。

消除雙端接地測量信息采集的難度，保證斷路器分合閘信號測量準確性的技術解決方案是采用改變門限閾值設置方法進行解決。如果斷路器處在合閘狀態，而儀器狀態檢測顯示為分閘，則表示由刀閘、地網、斷路器等形成的閉合回路阻抗較大，應該降低合分閘閾值判斷門限。但門限值的設定并不是越低越好、或越高越好。

當地網形成的阻抗較低，也就是測試條件較好，這樣門限值越高，信噪比也就越高，測量也就不受環境干擾，測量也就更精確。如果門限設置過高，將導致輸入端測到的有用信號低于設定門限值，會出現斷路器處在合閘狀態，測試儀的斷口檢測界面，“分”、“合”狀態不停地閃爍，甚至顯示“分”。地網形成的阻抗較高，也就是測試條件較差，也就是收信號鉗收到的信號較低，此時門限值設定越低，也就越容易區分出斷路器的合分狀態。但如果門限設定過低，也就是信噪比過低，測量也就越容易收到干擾，甚至出現把接收信號鉗直接接收到的發送信號鉗的信號判斷為有用信號。此時過低門限設置，測試儀的斷口檢測界面，“分”、“合”狀態不停地閃爍，甚至顯示“合”。可見，合理、準確設定門限閾值也是完成測試的關鍵。在實際測試時，要盡量將發送信號鉗與接收信號鉗遠離，避免測試中的錯誤數據。

GIS組合電器斷路器動特性分析儀現場動特性測試

現場應用GIS組合電器動特性分析儀進行試驗時，應確保斷路器兩端的地刀接觸良好。現場測試接線示意圖如圖1所示。測試基本原理是將圖2中的斷路器、電纜、地網和兩個接地刀閘組成一個通流體，該通流體的閉合和斷開是依靠斷路器實現的，圖中的信號發生器也就是電磁感應模型中的通電線圈，電流采樣器也就是電磁感應模型中的感應線圈，在信號發生器的兩端施加高頻交流電源US，建立電磁場，為達到一定的時間分辨率，可選擇合適的電源頻率。同時電流采樣器就會產生一個對應的感應電動勢和感應電流i，對于感應電流i產生和消失的時間測量可對應出斷路器的關合和開斷時間。

下面就常規斷路器和GIS組合電器雙端接地狀態下分別進行動特性測試的方法。

2.1 常規斷路器測試

當斷路器合閘時，由地網、刀閘、斷路器主觸頭組成通流體部分是完整的，此時由信號發生電流鉗產生的高頻信號經過閉合回路，感應到電流采集信號鉗，使其產生感應電動勢，該電動勢經過測試線輸入到信號采集箱，經過整形、濾波傳輸到主機，主機通過數字濾波、FFT處理、閾值判斷。當斷路器分閘時，由地網、刀閘、斷路器主觸頭組成通流體部分是斷開的，雖然此時信號發生電流鉗也在產生的高頻信號，但電流采樣信號鉗采集不到高頻信號，因此主機也采集不到信號箱的輸出的高頻信號。主機在合分閘過程中，不斷接收信號箱送過來的采集信號，通過數字濾波、FFT處理、閾值判斷等方法，分析出斷路器的分、合閘時間和同期等動作特性。斷路器兩端接地接線示意圖，如圖3所示。

2.2 GIS組合電器測試

通常情況下，GIS組合電器的隔離開關和接地開關是聯動機構，這樣斷路器通過隔離開關與母線和出線隔離后，斷路器的動靜觸頭通過接地開關接到大地，或通過銅排在殼體外接到鋁合金殼體上。GIS兩端接地接線示意圖，如圖4所示。

2.3 GIS組合電器隔離開關測試

通常情況下，由于GIS組合電器的隔離開關開斷時不帶有負荷，因而對其不做動特性測試要求。但是，近年來曾發生多起GIS組合電器的隔離開關不能正確動作的事件，非常有必要對GIS組合電器的隔離開關做動特性試驗，以便及時發現GIS組合電器的隔離開關的該類隱患。測試母線隔離開關時，在母線上裝設一組接地線，使用該儀器，測試方法同斷路器測試方法；測試線路側隔離開關時，將該儀器的高頻信號發生器和數據采集箱分別安裝在線路隔離開關量兩側的接地端上，與斷路器的測試方法完全相同。

3 采用GIS組合電器動特性分析儀測量與傳統測量方法對比分析

為了驗證GIS組合電器動特性分析儀測量的準確性，分別采用傳統的測量方法與兩端接地測試方法在變電站現場對三個型號斷路器進行分、合閘時間和同期性進行測量，合閘時間及同期性數據對比如表1所示，分閘時間及同期性數據對比如表2所示。其中，括號外的數據為傳統測試方法獲取的數據，括號內的數據為斷路器兩端接地測試方法獲取的數據。

通過表1和表2可以看出采用GIS組合電器動特性分析儀測試和傳統測量方法，在斷路器合分閘時間測量上數據是吻合的，同時也驗證了采用GIS組合電器動特性分析儀測試方法的準確性。

4 結論

本文通過對GIS組合電器動特性分析方法的研究分析，可得出如下結論：

（1）在高壓開關兩端電氣安全保護接地的狀態下，提出了采用GIS組合電器動特性分析儀進行動特性測試，測試結果能夠滿足斷路器現場測試的要求。

（2）采用GIS組合電器動特性分析儀進行測試既滿足對數據精度的要求，又有利于斷路器的現場安全檢修，完全可以可以代替傳統測試方法。

（3）采用GIS組合電器動特性分析儀還可以對GIS組合電器隔離開關進行動特性測試。

（4）研究成果的應用，從技術上提升測試作業現場的安全水平，為該類設備違章問題找到了解決途徑的同時，也將反措得到了有效落實。

作者簡介

梁煜健（1982-），男，廣東省肇慶市人。中共黨員，大學本科學歷，碩士學位，高級工程師、高級技師。在廣東電網有限責任公司肇慶供電局工作。從事變電一次設備管理工作。

高宜凡（1982-），男，湖北省襄陽市人。中共黨員，大學本科學歷，碩士學位。2005年7月參加工作，工程師，高級技師。

作者單位

廣東電網有限責任公司肇慶供電局 廣東省肇慶市 526060