基于選相控制器的斷路器在線監測系統研究

曾星宏，程延遠，鄧勁東，李海濤，劉東超

（1.中國南方電網超高壓輸電公司南寧局，廣西 南寧530004；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211102）

0 引言

斷路器作為電力系統中重要的控制和保護設備［1］，可靠動作能夠有效避免電力系統故障范圍擴大，對于電力系統的安全穩定運行起到了十分重要的作用。為了實時監視斷路器的可靠動作能力，及時識別斷路器故障狀態，研究發明了很多斷路器在線監測系統，如斷路器機械特性在線監測系統、斷路器局放在線監測系統等［2-21］。

選相控制器（Switching Control Device，CSD）作為斷路器的智能一次輔助設備，可以提高斷路器的控制精度，通過調整斷路器控制策略減小斷路器分合操作對系統的暫態沖擊［22-30］。選相控制器通過控制斷路器分合時間點，達到系統按固定相位電氣關合或熄滅電弧的目的，控制算法能夠滿足按固定相位出口的要求，但實際應用的效果取決于斷路器的機械動作時間穩定性，為了提高選相控制器的控制效果，通常需要增加SF6氣壓和機構油壓等狀態傳感器，用于當SF6氣壓或機構油壓變化時，對斷路器機械動作時間進行補償。

本系統借助于選相控制器控制斷路器分合相位是建立在對斷路器機械動作時間和絕緣特性穩定性的內在要求上，通過選相控制器操作后得到的動作時間與預測的斷路器動作時間進行比較，能夠有效地對斷路器進行狀態評估，從而達到對斷路器進行在線監測的目標。本系統將選相控制和在線監測兩個不同專業有效的結合在一起，為提升斷路器智能化水平提供了思路。

1 斷路器在線監測原理

斷路器在線監測系統作為對斷路器可靠動作能力進行評估的系統，系統實現方式與斷路器的結構，特別是動作過程密切相關。如斷路器機械特性在線監測是基于斷路器動作過程中的特征量進行判斷的，因此了解斷路器的動作過程是十分必要的。

1.1 斷路器動作過程

斷路器作為電力系統的一部分，使用機械分合閘方式來對電氣量進行操作，斷路器分合閘分為機械分合閘時間點和電氣回路分合時間點兩部分，具體的斷路器分合閘操作過程如圖1和圖2所示。

圖1 斷路器分閘過程示意圖Fig.1 Breaker opening process diagram

圖2 斷路器合閘過程示意圖Fig.2 Breaker closing process diagram

斷路器可簡單看由靜觸頭和動觸頭組成，斷路器分合閘過程示意圖如圖1和圖2所示。圖1中動靜觸頭之間的位置關系代表3個不同時刻，分別為分閘線圈帶電時刻T1、動靜觸頭分離時刻T2（電弧起燃時刻）和電弧熄滅時刻T3。因此可以引出斷路器分閘的幾個基本概念。分閘時間（opening time，Topn）：指處于合閘位置的斷路器，從分閘線圈帶電時刻T1到動靜觸頭分離時刻T2的時間間隔；燃弧時間（arcing time，Tarcing）：指從電弧起燃時刻，即動靜觸頭分離時刻T2到電弧熄滅時刻T3的時間間隔；開斷時間（break time，Tbrk）：指從分閘線圈帶電時刻T1到電弧熄滅時刻T3的時間間隔。

同樣的，圖2中通過動靜觸頭的位置關系代表的3個不同時刻可以得到斷路器合閘過程的3 個時間概念。合閘時間（closing time，Tcls）：指處于分閘位置的斷路器，從合閘線圈帶電時刻T1到動靜觸頭接觸時刻T3的時間間隔；預擊穿時間（pre-arcing time，Tpre）：合閘操作期間，斷路器起流時刻T2 到動靜觸頭接觸時刻T3的時間間隔；關合時間（make time，Tmake）：處于分閘位置的斷路器，從合閘線圈帶電時刻T1到斷路器起流時刻T2的時間間隔。

1.2 斷路器在線監測類型

根據上文1.1節所述，斷路器特征時間分為：1）代表機械特性的合閘時間和分閘時間；2）代表絕緣特性的燃弧時間和預擊穿時間。相應的斷路器在線監測類型根據監測對象不同分為：1）監測機械特性的斷路器機械特性在線監測；2）監測絕緣特性的斷路器電壽命在線監測和斷路器局放在線監測。

2012年高壓設備可靠性國際調查報告顯示，導致高壓SF6斷路器無法運行的嚴重故障中，由機械故障和電氣控制回路故障導致的占83%［1］，因此斷路器機械特性在線監測一直是斷路器在線監測領域研究的重點和熱點。

1）斷路器機械特性在線監測主要有分合閘線圈電流在線監測、觸頭行程及速度在線監測以及機械振動和聲音在線監測，可以是其中一種監測參量的方法來監測機械特性，也可以是組合的方式來監測，最終影響到斷路器動作過程的特征量是合閘時間和分閘時間。

2）斷路器電壽命在線監測主要是通過監測斷路器分合閘時刻的電流和分斷次數來評估斷路器電磨損的程度，主要是斷路器的觸頭磨損程度，常用的方法有開合電流加權累計法和累計電弧能量法；斷路器局放在線監測主要針對的是SF6斷路器，通常使用的方法是超高頻檢測法來定位局部放電位置。觸頭磨損和局部放電都會影響斷路器的絕緣特性，從而導致燃弧時間和預擊穿時間的變化。

斷路器機械特性在線監測關注的是斷路器動作時的合閘時間和分閘時間是否在正常范圍內，而斷路器電壽命在線監測和斷路器局放在線監測關注的是斷路器動作時的燃弧時間和預擊穿時間。

2 選相控制原理

斷路器隨機關合不可避免會在投切電力一次設備時產生過電壓、涌流等電磁暫態效應，影響設備的絕緣、壽命，甚至誘發繼電保護誤動作。例如感性負荷（空載變壓器、并聯電抗器等）合閘時，將會產生很大的涌流，引起瞬間電壓降低；容性負荷（空載輸電線路、電容器組等）合閘時的過電壓和涌流，涌流電動力可能損壞零件甚至造成絕緣損傷等。隨機分閘也可能造成斷路器的重燃或重擊穿等現象，從而引發重擊穿過電壓。通過配置選相控制裝置可以控制斷路器在特定相位完成投切，進而改善合閘暫態過程涌流和過電壓沖擊；通過選相分閘提高斷路器開斷能力，避免重擊穿現象及由此引發的過電壓。

斷路器選相控制實現的關鍵就是選相裝置收到系統合閘命令后，根據斷路器預期合閘時間引入一個合適的“等待時間”，待“等待時間”到達后（等待時間根據斷路器預期合閘時間等計算）將合閘線圈導通，斷路器開始動作，假如斷路器的真實合閘時間和我們預期合閘時間相同，則將合閘于目標相位處（分閘控制機理類似）。

2.1 選相合閘控制

以斷路器單相機構為例，假設目標合閘相位為系統側電壓峰值（目標合閘相位90°），選相合閘控制流程如圖3所示，圖中Tclstarg=5 ms（頻率為50 Hz）。

圖3 選相合閘控制流程圖Fig.3 Controlled closing process diagram

由流程圖3可知選相合閘控制需要等待的時間為

式（1）中，N為整數；T是基準電壓的周期，基準頻率為50 Hz 時，周期為20 ms；Tclstarg是合閘目標角度折算時間，如圖3所示目標角度為90°基準頻率為50 Hz時，折算時間為5 ms；Tcls是斷路器機構的合閘時間；Tclslag是合閘回路延時，一般選相控制器使用IGBT 直驅，合閘回路認為無延時，Tclslag=0 ms；Tpre是斷路器預擊穿時間，由斷路器合閘過程的絕緣強度下降率（rate-ofdecay of dielectric strength，RDDS）和合閘時刻的相位角共同決定。

由式（1）可知，當合閘目標相位確定時，選相合閘需要等待的時間由合閘時間Tcls和預擊穿時間Tpre決定，選相合閘控制能否關合在目標相位也由合閘時間Tcls和預擊穿時間Tpre是否與預期一致決定。

2.2 選相分閘控制

以斷路器單相機構為例，假設目標分閘相位為系統側電壓峰值（目標合閘相位90°），選相分閘控制流程如圖4所示，圖中Topntarg=5 ms（頻率為50 Hz）。

由流程圖4可知選相合閘控制需要等待的時間為

式（2）中，N為整數；T是基準電壓的周期，基準頻率為50 Hz 時，周期為20 ms；Topntarg是分閘目標角度折算時間，如圖所示目標角度為90°基準頻率為50 Hz 時，折算時間為5 ms；Topn是斷路器機構的分閘時間；Topnlag是分閘回路延時，同樣使用IGBT 直驅，分閘回路認為無延時，Topnlag=0 ms；Tarcing是斷路器燃弧時間，由RRDS斷路器分閘過程的絕緣強度上升率（rate-of-rise of dielectric strength，RRDS）決定。

圖4 選相分閘控制流程圖Fig.4 Controlled opening process diagram

由式（2）可知，當分閘目標相位確定時，選相分閘需要等待的時間由分閘時間Topn和燃弧時間Tarcing決定，選相分閘控制能否分斷在目標相位也由分閘時間Topn和燃弧時間Tarcing是否與預期一致決定。

2.3 特征時間估計

前面選相分合閘控制原理均提到，選相控制能否分合在目標相位主要是由斷路器機械動作時間（合閘時間Tcls和分閘時間Topn）和斷路器絕緣強度（預擊穿時間Tpre和燃弧時間Tarcing）是否與預期一致所決定的。因此在選相控制中，斷路器特征時間的估計，特別是斷路器特征時間會隨外部參量明顯變化時，就顯得十分必要。

斷路器所處的環境溫度、操作回路的電壓、油壓儲能水平（彈簧機構除外）、SF6氣壓、間歇時間等因素均會對斷路器的分合閘時間造成一定影響，選相分合閘裝置會根據斷路器分合閘時間受外部參量影響的大小決定是否需要對該種參量進行補償。

3 在線監測系統構成

選相控制器精準控制需要通過電氣時間，即開斷時間Tbrk和關合時間Tm來確定控制命令發出時刻。其中開斷時間Tbrk和關合時間Tmake滿足公式（3）。

而開斷時間Tbrk和關合時間Tmake對應于斷路器的電氣特征量，可以通過選相控制器采集斷路器動作時斷路器兩端的電氣突變量得到電氣關合點或者是電氣分斷點。而分閘時間Topn和合閘時間Tcls作為斷路器機械動作特性時間可以通過測量斷路器輔助接點動作時間得到，從而可以得到斷路器的燃弧時間Tarcing和預擊穿時間Tpre，燃弧時間表征斷路器絕緣恢復水平，預擊穿時間表征斷路器絕緣下降水平，該特征分量能夠表征斷路器絕緣情況。開斷時間和關合時間是選相控制器關注點，而斷路器機械動作特性時間和斷路器絕緣情況是在線監測關注點，二者通過公式（3）完美的統一起來。

如圖5 所示，本文提供一種基于選相控制器的斷路器在線監測系統，包括斷路器狀態采集模塊、斷路器控制模塊、斷路器機械動作時間和電氣關合分斷時間計算模塊以及斷路器在線監測告警模塊。狀態采集模塊可采集參考電壓、反饋電流、斷路器輔助觸點開關量、斷路器SF6氣壓和機構油壓等狀態量，根據預先通過大量樣本數據得到的斷路器機械動作時間與斷路器SF6氣壓和機構油壓的關系計算得到斷路器機械動作時間預測值，該數據對于適用于選相分合閘的斷路器廠家均有提供。

圖5 基于選相控制器的在線監測系統Fig.5 On-line monitoring system based on CSD

然后根據預測值通過斷路器控制模塊對斷路器進行選相控制，根據采集到的反饋電流可以計算得到開斷時間Tbrk和關合時間Tmake，同時通過斷路器輔助觸點開關量可以計算得到斷路器機械動作特性時間，即分閘時間Topn和合閘時間Tcls。由斷路器機械動作時間的分布特性可以有效估計斷路器機構是否發生卡澀等機械故障，而通過公式（3）可以計算出燃弧時間Tarcing和預擊穿時間Tpre，通過燃弧時間和預擊穿時間可以評估斷路器內部的絕緣水平是否存在下降問題，從而達到了斷路器在線監測機械故障和絕緣故障的功能。

4 結語

本文介紹了斷路器在線監測的原理和選相控制的原理，斷路器在線監測通過不同的方法來監測斷路器機械特性和絕緣性能，實質上是評估斷路器動作時間是否穩定，這與選相控制器精準控制的內在要求是一致的。提出了基于選相控制器的斷路器在線監測系統，能夠很好的利用兩者的內在聯系，結合之后的系統不僅集成度更高，對于斷路器的智能化控制和在線監測程度也得到了提升，為選相控制和在線監測專業融合提供了技術路線。

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