萬能式斷路器短路試驗選相合閘研究

天津電氣科學研究院有限公司 戴宇飛 張曉戈 杜然瓏 王 靜

萬能式斷路器作為低壓電力系統重要構件，用于保護線路免受短路、過載以及欠電壓等故障。為避免線路和設備受到影響、能夠安全運行，在投入使用前均需要進行試驗測試性能，達到合格標準后才能投入運行。短路保護特性試驗是其中十分重要的一項，需要萬能式斷路器滿足短路保護的要求。

1 萬能式斷路器短路試驗分析

1.1 短路試驗電路

在萬能式斷路器性能測試中，主要進行電流不平衡保護、接地保護、斷相保護以及短路保護幾項試驗，上述實驗要求電流激勵條件下開展，以準確判斷斷路器性能。短路試驗使用電路和電流保護一致，當斷路器保護功能誤差控制在10%以內判定為合格。測試系統要從小至大進行電流性能測試，要求輸出電流處于0～7000A之內。斷路器的結構為三級變換式，單相調壓器具備電動工作狀態，系統可通過閉環控制對輸出電流加以調整。電動調壓器無法進行連續調壓，電壓間隔最小值受到總匝數決定，在低壓變壓器和電動調節器中間安裝自耦變壓器可滿足靈活調壓的要求，提高精度標準。測試電流是三相低壓變壓器產生的電流，為避免合閘后電路形成非周期性直流電流，在試驗電路中安裝選相合閘，選相合閘裝置核心部件為可控硅控制器。

1.2 選相合閘

自耦調壓器。雙繞組變壓器主要采取T型模型，為了電壓和負載電流的便捷計算，使用一次側漏電感以及漏電電阻，變化等值電路可反映出變比變壓器。勵磁支路等效電感和電阻和串聯支路負載電感和電阻等均可從變壓器說明上獲得數據。由于變壓器勵磁阻抗遠大于漏阻抗且并聯電流值小，按照并聯勵磁支路作為變壓器電源側計算，構成等值電路，按照T型模型前移勵磁支路[1]。普通變壓器繞組存在磁路耦合，自耦調壓器繞組在磁路耦合基礎上和電路有密切關聯，自耦調壓器電路和參數和變壓器計算規則相同。因此按照普通變壓器模型進行自耦調壓器的分析可行，但無論是電動式還是多抽頭式，實際運行過程中動端位置處于不斷變化過程中，等值模型中參數也處于不斷變化中。

最佳合閘相角。將短路試驗電路按照變壓器模型替換，可得到圖1所示電路模型：其中RT表示變壓器一次側、二次側等效漏電阻，LT表示一次側、二次側等效漏電感。α1～α3表示自耦調壓器動端位置和變壓器的變比。要想消除非周期性直流分量，需讓功率因數角和負載功率因數角相同，當功率因數角和激勵源起始相位保持一致情況下合閘，和以負載功率因數角作為判斷合閘時刻的標準結論一致。變化模型中阻抗可知，負載為輸入電壓激勵源的等效阻抗。功率因數角和斷路器銅排以及等效阻抗關聯密切，還和自耦調壓器、自耦變壓器的等效阻抗關系密切。

圖1 短路試驗電路模型

2 短路保護特性試驗

短路試驗主要驗證瞬時和延時保護動作，按照斷路器產品質量檢驗規定，延時保護要求斷路器達到定時脫扣，電流整定值為0.4～15倍斷路器額定電流，定時為0.1/0.2/0.3/0.4s四個檔位，脫扣時間以及電流控制在10%以內。斷路器要求瞬時保護動作時效性達到要求，能滿足定時脫扣要求，如斷路器殼架電流為整定值1/20～1倍時，定時要控制在50ms以內，脫扣定時和電流控制在10%之內[2]。

選相合閘智能解決消除非周期性直流分量，但還需考慮給斷路器增加激勵電流。以往短路試驗通過電動調壓設定額定電流條件，測定空載電壓數據，并計算出脫扣電流和空載電壓，但變壓器和調壓器均不是線性元件，計算輸出電流無法達到目標。改用神經網絡控制，可利用補償系數自動調整電流，提高電流精度。但斷路器之間存在差異，需經過訓練才能保證電壓補償系數的準確性，因此并不滿足大量生產的需要。因此可對A、B、C單相分別測量短路保護動作，按照規定考核電流，短路試驗包括O和CO測試兩部分，分別進行脫扣時間以及脫扣電流的考核。

按照測試項目和規格設定整定值，開啟短路瞬時或延時保護功能，將其他保護功能關閉。選相合閘裝置可任意角度合閘，從電動調壓器最低端緩慢進行調節，提高輸出電流至斷路器完成脫扣試驗。在斷路器啟動脫扣動作，要固定調壓器的具體位置，對短路電流、激勵電壓以及輸出電流的相位差進行持續測量，對比電流整定值及輸出電流，判斷是否處于10%誤差范圍之內[3]。將選相合閘裝置關閉，進行合閘試品。測量合閘相角合閘，要一同對合閘時刻進行測量，截止脫扣時間，對比電流整定值差異，將誤差控制在10%內，判斷短路保護時間是否達到合格標準。

3 案例分析

某低壓萬能斷路器作為生產廠重要控制設備，目前運營24年，出現多次跳閘，不明原因，該設備后備件稀缺，維修難度高。

3.1 故障檢修

分析故障原因，先拆下電子脫扣器，分解結構進行檢查，除集成電路外還存在輔助連接點，使用插針對控制回路加以控制。通過對圖紙的翻閱，該控制器控制分斷存在兩種方式：過流信號輸出，對脫扣器分斷進行控制，達到過流保護的目的；由過流電信號對S16、S17接點進行控制，脫扣器動作可作為后備動作、后于主保護動作。分閘由脫扣器控制。分勵脫扣器電壓控制在額定電壓70～110%之間，遇到不同工作條件，要將分勵脫扣器快速脫扣，達到斷路器斷開目的。過流脫扣器主要在過載和短路條件下斷開。一旦電流整定值超過負載電流，斷路器會受到過流脫扣器作用進行脫扣動作。

連接斷路器和脫扣器，當外施電壓降低至35～70%額定電壓時，欠壓脫扣器和斷路器連接應啟動動作，及時完成脫扣動作。處于過載工況下，S16節點負責斷開脫扣器，對電流整定值的控制由過載控制器負責，控制器通過電信號來控制S16，欠壓線圈失電，脫扣器斷開。在短路情況下，S17輔助接點斷開脫扣器控制，電流整定值由電流控制器負責控制，通過電信號來控制接點動作，線圈得電，將K12常閉，斷開脫扣器。

3.2 斷路器試驗

通過大電流整定試驗進行測試，改進斷路器運行穩定性。先對各部件進行驗證。在斷路器上進行分勵脫扣器試驗，當斷路器無電流，檢查額定電壓條件下脫扣器是否可將斷路器斷開；對欠壓脫扣器進行驗證。當欠壓脫扣器電壓降低時，緩慢降低額定電壓，確保欠電壓斷路器保護動作斷開斷路器；進行動作極限試驗，將額定電壓降低至35%以下，驗證斷路器合閘。當外施電壓超過85%額定電壓，保證斷路器合閘。將斷路器處于閉合狀態，在主電路無電流條件下連通110%電壓，驗證脫扣器是否耐受，不會對斷路器其他功能受到損害。

3.2.1 短路保護特性試驗

通電條件下斷路器控制器可以延時，根據反時限電路動作，短路情況下不會出現瞬動保護。定時任意測試時間可根據短延時整定時長、整定電流、過流值進行計算。根據負載和上下級要求選擇整定值。當短路保護動作特性達到合格標準后進行保護特性試驗。在原本特性試驗基礎上連接中繼檢測回路，檢查接點動作狀態[4]。在電子控制器中找到X3插件，找到S17引出插針。連接中間繼電器進行回路測試，期間繼電器維持額定電壓。S17保持常開狀態，繼電器保持常開狀態，和接點并聯后控制回路可自動形成自鎖電路。S17接點動作，繼電器通電后接點自鎖常開，讓繼電器保持動作鎖定。通電檢查K1繼電器是否動作。驗證電子脫扣器保護動作。若整定值分斷且K1不動作，證實短路主保護以及后備保護。斷路器整定值分斷且K1動作，則短路主保護正常運行，后背保護出現故障。

3.2.2 過載保護特性試驗

試驗要在通電狀態下運行。電子控制器具有延時功能，根據反時限動作，根據額定電流、整定電流、整定時間，過載延時可達12s。過載時電子控制器通過2種方式分斷。進行后備保護特性試驗，連接中繼檢測回路，驗證S16接點動作。在控制器插件上找出S16插針。連接繼電器測試回路，期間繼電器維持額定電壓。保持S16常開，將接點和K1接點并聯，控制回路構成自鎖電路。S16動作時，繼電器接點保持常開狀態，讓繼電器動作鎖定。通過2倍電流試驗判斷繼電器的狀態。對比脫扣器動作驗證結果的一致性。若整定值分斷且K1不動作，證實短路主保護以及后備保護。斷路器整定值分斷且K1動作，則短路主保護正常運行，后背保護出現故障。

3.2.3 反時限不脫口特性試驗

若電流整定值升高至1.05倍，不脫扣電流是指滿足脫扣器承載范圍但不會觸發動作的電流。斷路器試驗過程中合閘時間至少在2h以上，未觸發脫扣動作。使用控制器插件找到插針，連接中間繼電器對回路實施檢測，測試過程中保證K1保持額定電壓。將S16、S17連接接點動作時，繼電器通電后保持K1接點自鎖可以讓繼電器保持動作鎖定。通電1.05倍電流檢查繼電器是否動作，驗證電子脫扣器保護動作。

根據上述試驗對斷路器故障進行判定：若S16和S17接點良好接觸，可正常推動電動試驗，檢測控制回路利用電路板測試，控制器電路若被擊穿，可更換電容后重新開始進行整定試驗，判斷試驗動作是否合格。

綜上，通過對短路保護特性試驗的具體分析，評估斷路器性能和排查故障問題，相比于推算脫扣電流整定值，分析非周期性直流分量以及合閘相角，考慮脫扣電流值以及動作時間能獲得更精準的試驗電流，提高試驗結果的準確性，評估斷路器性能。短路保護特性試驗具有較高的準確性和可行性，具有較高的應用價值。