高壓交流斷路器短路關合和開斷試驗的分析研究

郭成功

（甘肅電器科學研究院/甘肅省高低壓電氣研發檢測技術重點實驗室，甘肅 天水 741018）

1 引言

經過幾代人堅持不懈的奮斗和努力，我國已經建成世界上規模最大的全國互聯互通的電網，擁有世界上最高電壓等級的±800 kV 直流輸電和1000 kV 特高壓交流輸電線路，并且迄今沒有發生過像美國東部、歐洲電網曾發生過的大面積停電事故。2015 年，我國發電裝機容量達到15.06 億kW，居世界第一，擁有世界上最多的單機100 萬kW 以上的超超臨界發電機組。中國的電力事業起步雖然比西方國家晚了近80 年，然而現在卻成為了名副其實的世界電力大國，這是值得中國人民自豪的驕人業績，也是中國電力戰線上廣大職工一代代努力的結果。

高壓交流斷路器又稱高壓開關，具有足夠的開斷能力和滅弧能力。它不僅可以有效切斷與閉合高壓電路的空載電流和負載電流，還可以在電力系統發生故障時，與保護裝置、自動裝置相配合，迅速地切除故障電流，以減小停電范圍，防止事故的進一步擴大，對于保證電力系統的安全運行具有極其重要的意義。高壓交流斷路器經歷了油斷路器、壓縮空氣斷路器、真空斷路器和SF6 斷路器的發展史。而SF6 斷路器在20 世紀70 年代初就被廣泛應用，它是以六氟化硫為滅弧介質，這種斷路器的開斷能力較強。在電力系統的穩定和安全運行中，高壓交流斷路器發揮著重要的作用，在經濟效益和社會效益方面也具有非常重要的意義[1]。

隨著高壓交流輸電線路電壓等級的不斷提升，相應地在運行過程中發生故障的風險和故障解決的難度提高。當電力系統在運行過程中突然發生如突發短路、異相接地、近區故障、失步故障等情況時，就需要故障臨近位置的高壓斷路器與配套裝置進行故障切斷，防止故障影響的進一步擴大。本研究論述的主要內容是當電力系統在發生突發短路故障時，高壓交流斷路器需要能有效切斷故障電流。而考核高壓交流斷路器這一能力的試驗方法就是高壓交流斷路器短路關合和開斷試驗。高壓交流斷路器短路關合和開斷試驗既是斷路器產品研發、設計以及性能提升的必要手段，也是對其性能的最終考核驗證。目前，我國整體正處于由高速發展轉變為高質量發展的階段，國內各行各業都在大力提升質量，那么提升試驗成功率（也就是試驗的質量），無論對試驗結果的判定還是對產品性能的評價都具有重要意義，最終為高壓交流斷路器的新產品研發升級提供技術支持。

2 高壓交流斷路器短路關合和開斷的安全試驗技術規定

斷路器觸頭應能分別關合和開斷額定電阻短路開斷電流及額定電阻短路開斷電流以內的所有對稱和其他非對稱的短路電流。具有額定電壓容性水平開斷關合電流值的斷路器，應能在低于額定電壓值的容性水平下關合開斷電流至其額定電壓值的容性關合開斷電流值。如果實驗室試驗容量能力滿足，試驗應盡可能使用直接試驗的方式。如果實驗室試驗容量能力無法滿足試驗要求，則可以選擇合成試驗的方式來完成試驗。作為進行短路關合開斷試驗的推薦經驗，在試品數量上試驗應在同一臺試品上完成。在試驗試品的安裝布局上針對受試斷路器布置應直接安裝在自己的受試支架上或與之等效的其他支架上（各實驗室一般都備有與之等效的支架）。依據目前國家標準上的一些相關技術規定，三極供電斷路器的單極應在單相供電試驗回路中進行，施加與完整三極供電斷路器三相開斷和關合中最高電應力極上在相應條件下承受相同的電流和幾乎相同的工頻電壓。通過對一極中各電壓單元間的電壓變化分布的綜合分析即可初步確定每個試驗點的電壓。在關合和開斷兩個試驗進行前后均應按空載操作順序進行操作（如O-CO、CO、O），并記錄其合閘時間、分閘時間等特性參數（該數據可以和機械特性試驗數據進行對比，以確保其準確性）。在斷路器關合和開斷試驗進行的過程中，斷路器在一般情況下不應該同時出現以下異常現象：（1）表現出控制電路或帶電觸頭上發生損壞的異常工作現象；（2）表現出相與相之間或相對地之間存在相互擊穿放電的現象；（3）表現出與相鄰近的各種設備之間存在有害的相互作用；（4）表現較突出的或具有缺點可能直接影響危及其設備操作者的安全以及性能等。在試驗后斷路器的狀態檢查上，可在任意一個試驗方式結束后，對斷路器進行狀態檢查。作為試品的斷路器其機械部件和絕緣件應基本上與進行短路試驗前的實際工作狀態相同。通過外觀檢查通常足以驗證其絕緣性能。試驗方式主要有T10、T30、T60、T100s、T100s（b）、T100a、OP1、OP2。其中除T100a 的操作順序為外，其余試驗方式的操作順序均為。對于各種試驗供電系統來說，要正確區分中性首開極系數1.5（中性點非有效接地）和中性首開極系數1.3（中性點有效接地）。對于試驗操作方式均為T100a的開斷試驗，隨觸頭短路分離起始時刻的不同對其試驗的操作嚴酷度也就會有很大程度的區別，為了使非對稱性的要求從一相轉移到另外一相，各次開斷試驗之間短路起始點的角度都需要依次推60°。在相關國家標準（例如：GB/T 1984—2014）中還對如燃弧時間，最后電流半波的參數，預期瞬態恢復電壓等關鍵參數做出了具體要求。

3 試驗流程

試驗從考核的最終意義上來講，主要分為研發升級型試驗和考核判定型試驗。所謂研發升級型試驗就是產品經過研發后通過試驗的方式來對新產品所提升改進的方面做出一個相應的評價，并依據試驗的結果數據對新產品的新技術做出一個相應的調整和完善，最終形成一個完整的參數調整。而性能考核中的判定型性能試驗則主要是對已經研制成型的相關產品是否依據相關國家標準或其他相關產品行業標準對其性能進行是否符合性能的判定，為后續產品在實際工作條件下的使用提供判定依據。由此可見，無論試驗的最終目的如何，在試驗業務辦理時，生產企業作為委托方首先要向承接試驗的檢測機構提供一套完整的試驗產品的技術條件及試驗大綱（包括如保證額定操作順序的操作機構的最低條件，保證額定操作順序的開斷裝置的最低條件等主要參數），以確保試驗的順利進行。實驗室在承接業務后依據委托方的要求和相關國家標準或行業標準，編制試驗工作卡，方便試驗樣品的流轉和具體試驗的實施。試品按照試驗工作卡流轉至各個承接具體試驗的實驗室后，各實驗室再依據標準及具體的試驗細則進行試驗，并形成試驗的原始記錄，待所有試驗項目結束后統一匯總編制出完整的檢測報告，簽字蓋章后交付給委托方。

4 試驗系統設計

容量試驗室在接收到高壓交流斷路器后首先要對斷路器進行一個簡單的外觀檢查和基本操作，確認斷路器無誤后，可先根據生產企業提供的該斷路器接線圖進行控制線的連接，以確保該試驗室時序控制系統能夠準確地控制斷路器的合分操作。完成控制接線后，依據斷路器的額定電壓，額定電流以及委托試驗的具體方式和試驗等級，選擇與試驗相匹配的試驗回路和相應的采集系統前端設備（如電流線圈、電壓互感器等）。對照國家標準中關于相關試驗電源條款的回路參數控制規定，試驗操作人員應先將相關試驗電源回路短路連接，通過調節試驗電源（如沖擊高壓發電機/高壓電網），試驗電源主開關回路中的電阻抗，變壓器回路連接點等方式，選相開關的電合閘工作角度，TRV（瞬態恢復電壓）試驗回路工作參數等條件來最終準確實現相關試驗回路參數的自動調節，使得到的試驗電壓，工頻電流，恢復電壓，試驗電流有效值，試驗電流功率峰值，試驗電流直流因數分量，功率成本因數，TRV 等試驗參數滿足標準要求。在相關試驗參數調節完成后，將試品連接至主回路中，依據標準要求的試驗操作方式開始試驗。以沖擊發電機為試驗電源為例，試驗過程中，首先讓沖擊發電機自己開始勵磁，當沖擊發電機的入出口交流電壓控制達到規定試驗電源要求的出口電壓控制等級后，由輔助控制驅動系統（即諸如時序控制系統和控制驅動系統等）將已經提前運行設置好的控制程序進行觸發，控制回路中的輔助控制設備（如保護斷路器、操作斷路器、選相合閘開關等）和試品動作，完成整個試驗過程。同時，在整個試驗程序指令發出的整個過程中，數據采集系統一直處于采集狀態，待提前設置好的觸發點被觸發后，完成整個采集。如若斷路器動作正常，且采集到的示波圖中讀取的相關參數滿足預期參數的要求，則認為該次試驗通過，時間間隔3 min后，繼續進行下一次試驗。待所有試驗程序完成后，將示波圖和試驗過程中形成的原始記錄整理好，結束試驗（試驗過程中要做好原始數據的記錄工作，并有效地形成原始記錄，以確保原始數據的準確性、可溯源性，且滿足CNAS-TRL-009：2018 電氣檢測領域原始記錄的編制和管理中的要求。良好的原始記錄應具備原始性、可操作性、真實性、有效性、溯源性和完整性）[2]。

5 數據采集和結果分析

試驗結果有時可以通過直觀的肉眼觀察試驗過程中的試驗現象或試后檢查斷路器的外觀來做出判斷（如試驗過程中通過監視系統觀察到噴弧、打火等具體現象，試后檢查斷路器外觀時發現有噴弧或打火的痕跡），有時也可以通過額定操作來做出判斷（如試驗過程中聽到異響，通過額定操作發現斷路器不能正常合分，判斷觸頭可能發生焊接等現象）。目前，我國斷路器生產行業的發展水平已比較成熟，上述兩種現象屬于比較少見的情況，而絕大多數情況下試驗過程中觀測不到具體現象，需要通過試驗結束后分析試驗示波圖來實現結果的判定。試驗示波圖就是通過試驗前端對該試驗的具體預期參數而對應設定好后在試驗過程中采集得來的。

高壓、大電流試驗的數據采集系統原理大多是：將主回路上的強電信號通過分壓器、積分放大器等采集元件轉變成一個弱電信號傳輸到采集前端上，采集前端再通過A/D 轉換和E/O 轉換將弱電信號轉化為一個光信號，由光纖傳導至主控室的采集系統主機，主機再將光信號轉化為數字模擬信號傳輸至計算機上，最后再由指定的采集軟件進行示波圖的分析、還原和顯示。有時示波圖上可以很直觀地看到電壓或電流波形的畸變，通過畸變可以分析出試驗過程中故障發生的大體情況（如：若電流波形有效值突然增大且波形為非對稱正弦波，則可能在試驗過程中發生了放電的過程；若恢復電壓的起始部分開始就發生畸變且波形毛刺很大，則可能斷路器的觸頭間重復發生擊穿，觸頭絕緣性受破壞等）。還有一種情況就是示波圖直觀看上去沒有任何問題，波形勻稱且信號準確，這時就需要通過讀取相關的試驗參數，如試驗電壓有效值、試驗電流有效值、直流分量、工頻恢復電壓、TRV 等參數，并與預期參數進行對比后再做出判斷。

6 結束語

本研究詳細介紹了高壓交流斷路器關合和開斷試驗，從試驗要求到試驗流程，從試驗過程到數采結果分析，并對重點環節追加了解釋說明。隨著國內電力供電網絡能力的不斷提升，各試驗室針對高壓交流斷路器關合和開斷試驗的試驗能力和試驗方法也在不斷改進提高。無論是直接試驗方式還是合成試驗方式，解決好試驗能力，最終滿足客戶和國家電力供電網絡的需求，將是未來各容量試驗室發展的主要方向。