相控斷路器對電氣系統可靠性的提升策略探究

國網河南省電力公司鄭州供電公司 馮 翔 焦慧明

相控斷路器是一種新型的斷路器技術，其具有快速、可靠、高效等特點，被廣泛應用于電氣系統中。相控斷路器的引入對電氣系統的可靠性提出了新的挑戰和機遇。為了進一步提升電氣系統的可靠性，需要深入探究相控斷路器的應用策略。

1 相控分合原理

1.1 相控分閘時序

在相控斷路器進行分閘操作之前，需要先進行基準電流檢測。通過檢測電路中的電流大小，確定是否達到進行分閘操作的條件。在進行分閘操作時，需要生成相應的相控信號[1]。相控信號的生成通常是通過電氣系統的保護裝置或控制系統來完成的。當相控信號生成后，將觸發相控分閘操作。相控分閘操作的觸發可通過控制相控斷路器的控制回路來實現。在進行相控分閘操作時，需要對電流進行限制。通過控制相控斷路器的電流傳輸路徑，限制電流的大小，以保證分閘操作的安全性。當相控分閘操作完成后，相控斷路器將斷開電路，實現分閘的目的。

1.2 相控合閘時序

在進行相控合閘操作之前，需要通過電氣系統的保護裝置，或控制系統生成相應的相控信號。相控信號的生成通常是根據電氣系統的需求和保護要求來進行配置和設置的。生成相控信號的方式可以是通過電氣信號的傳遞，例如通過繼電器、電子開關等設備來實現[2]。當相控信號生成后，將觸發相控合閘操作。觸發相控合閘操作可通過控制相控斷路器的控制回路來實現。控制回路可以通過信號線、電纜等方式與相控斷路器連接，以實現信號的傳遞和觸發。

觸發信號的方式可以是手動操作，例如通過按鈕、開關等手動控制設備來觸發合閘操作；也可以是自動操作，例如通過自動化控制系統根據電氣系統的需求自動觸發合閘操作。在進行相控合閘操作時，需要對電流進行限制，以保證合閘操作的安全性。通常通過控制相控斷路器的電流傳輸路徑來限制電流的大小。可以通過控制斷路器內部的電磁元件、電子元件等來實現電流的限制。例如，通過調節電磁鐵的勵磁電流、電子元件的阻值等來控制電流的大小。當相控合閘操作完成后，相控斷路器將閉合電路，實現合閘的目的。合閘操作完成后，電力系統將恢復供電，電流將得到正常傳輸，實現電氣系統的正常運行。

2 隨機分合與相控分合對牽引系統可靠性的影響比較

2.1 隨機分合對牽引系統可靠性影響

隨機分合操作意味著牽引系統的分合頻率會增加。頻繁的分合操作可能會增加設備的磨損和故障的風險。例如，電氣接觸器在頻繁分合操作下可能會出現接觸不良或磨損等問題，導致系統故障。隨機分合操作可能會導致牽引系統的負載發生變化[3]。例如，當分合操作發生時，電動機的負載可能會突然增加或減少。這種負載變化可能會對電動機和相應的控制系統產生額外的壓力，導致其可靠性下降。

2.2 相控分合對牽引系統可靠性的提升

相控分合可以減少電氣設備的磨損和故障率。相較于傳統的機械式分合，相控分合的操作更加平穩，避免了機械零部件的磨損和故障，因此能夠延長電氣設備的使用壽命，降低故障率。相控分合操作速度快，能夠在短時間內完成分合操作，提高了牽引系統的運行效率。同時，相控分合操作也能夠減少停機時間，增加牽引系統的可用性。相控分合操作在分合過程中能夠減少電弧的產生，從而降低了系統的火災風險，增強了系統的安全性。

此外，相控分合操作還可避免因為機械式分合操作不當造成的人身傷害事故。相控分合操作能夠減少電氣設備的振動和噪聲，提高了系統的穩定性。同時，相控分合操作能夠避免電氣設備的過電壓和過電流現象，從而保證了電氣設備的穩定運行[4]。

選擇合適的分閘相位投切變壓器可減少諧波成分，降低電壓畸變水平，保證變壓器二次側電壓的穩定性和質量。相控分合斷路器在操作過程中，由于合分閘相位投切變壓器的選擇，不會產生非特征次諧波。非特征次諧波是指不屬于基波頻率的諧波成分，可能會對牽引變流器產生干擾。

相控分合斷路器的設計可避免非特征次諧波的產生，保證牽引變流器的正常工作。相控分合斷路器的操作不會誘發網間的非特征次諧波諧振。非特征次諧波諧振是指由于非特征次諧波的存在，可能會在電力系統中形成諧振回路，導致系統的不穩定或設備的損壞。相控分合斷路器的設計考慮了非特征次諧波的抑制，不會引發諧振問題，確保穩定運行，合閘相位的選擇如圖1所示。

圖1 合閘相位的選擇

3 隨機分合與相控分合對高壓電氣系統可靠性的影響比較

3.1 隨機分合對高壓電氣系統可靠性影響

設備的磨損和老化是由于隨機分合操作導致高壓電氣設備頻繁進行分合操作，這使得設備承受更多的機械應力和電磁應力。特別是在高壓斷路器等關鍵設備上，頻繁的分合操作可能會導致接觸不良、燒損等問題，進而降低設備的可靠性。分合操作時，設備中的接觸部件會受到更多的壓力和摩擦，這會導致金屬部件的磨損并導致接觸不良，進一步影響設備的正常運行。

3.2 相控分合斷路器對高壓電氣系統的保護

通過選擇合適的相位進行投切，可以減少涌流和操作過電壓的幅值和時間，從而降低對電力系統和設備的沖擊，保護設備的穩定運行。相控分合斷路器的操作不會誘發網間的非特征次諧波諧振。非特征次諧波諧振是指由于非特征次諧波的存在，可能會在電力系統中形成諧振回路，導致系統的不穩定或設備的損壞。相控分合斷路器通過選擇合適的相位進行投切，避免了非特征次諧波諧振的發生，保證運行網的穩定運行。相控分合斷路器在操作過程中不會產生操作過電壓。

操作過電壓是指斷路器分閘瞬間的電壓波動，可能會對電力系統和設備造成不利影響。相控分合斷路器的設計考慮了操作過電壓的抑制，確保操作過程中電壓的穩定性和質量。從圖2（a）至（b）可以看出，相控分合斷路器合閘不會引起變壓器二次側電壓、牽引網壓波形畸變。圖2中，二次側電壓諧波總畸變率THDu 僅為1.19%；網壓諧波總畸變率THDu 從涌流產生前的1.09%到涌流產生后的1.11%，幾乎沒有變化。這符合GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》對35kV 系統電壓THDu ≤3%的要求。

圖2 相控合閘的電流與電壓波形均無畸變

相控分合斷路器通過選擇合適的相位進行投切，可以從源頭抑制涌流與操作過電壓，不會誘發網間的非特征次諧波諧振，也不會產生操作過電壓。通過試驗證明，相控分合斷路器合閘不會引起變壓器二次側電壓、牽引網壓波形的畸變。這些效果保證了牽引系統的穩定運行，提高了牽引系統的可靠性。

4 隨機分合與相控分合對弱電設備可靠性的影響比較

4.1 隨機分合對弱電設備電磁干擾問題

隨機分合操作可能會導致電磁干擾對弱電設備造成問題。電磁干擾是由電磁場的變化引起的，而隨機分合操作會產生電弧和電流突變，從而產生較強的電磁場。這些電磁場可能會對弱電設備的正常運行產生干擾和影響。隨機分合操作產生的電弧和電流突變會產生較強的電磁輻射，這些電磁輻射可能會干擾弱電設備的正常工作。

例如，無線通信設備、傳感器和測量儀器等弱電設備可能會受到電磁輻射的干擾，導致信號傳輸失真、測量偏差等問題。主斷路器隨機分閘時可能會產生分閘過電壓，而分閘過電壓會對控制系統和通信系統的可靠性造成危害。根據文獻中的仿真分析結果，主斷路器分閘時在機器上可能會產生6kV 的浪涌過電壓。雖然避雷器可以吸收部分過電壓，但由于避雷器無法完全匹配分閘過電壓，設備上仍然存在過電壓。因此，有必要從源頭抑制分閘過電壓。盡管避雷器可以吸收部分過電壓，但仍然可以觀察到分閘過電壓的存在。這表明避雷器不能完全抑制分閘過電壓，因此需要從源頭進行抑制[5]。

主斷路器隨機分閘時可能產生分閘過電壓，而分閘過電壓會對控制系統和通信系統的可靠性造成危害。為了降低分閘過電壓的影響，可以采取合適的主斷路器，使用過電壓抑制裝置，以及優化系統設計等措施。這些措施有助于從源頭抑制分閘過電壓，保障系統的可靠運行。

4.2 相控分合對弱電設備電磁干擾抑制

采取電磁屏蔽措施后，相控分合操作產生的電磁輻射會得到顯著減少。弱電設備周圍的電磁場強度會降低，從而減少對弱電設備的電磁干擾。電磁屏蔽和接地保護措施可減少相控分合操作產生的電磁感應效應。弱電設備中的感應電流會得到減少，減少對弱電設備電路的干擾。

電磁屏蔽和良好的接地保護可降低相控分合操作對弱電設備的電磁耦合效應。弱電設備中的電流和電壓變化會減小，減少對其他設備的干擾。通過濾波器和繼電器的使用，可以過濾掉相控分合操作產生的電磁噪聲，提高弱電設備的信號傳輸質量。信號傳輸更穩定、準確，減少數據傳輸錯誤和失真。

良好的電磁兼容設計和環境隔離，可減少相控分合操作對弱電設備的電磁干擾，降低設備故障率。設備的穩定性和可靠性得到提高，延長設備壽命。相控分合對弱電設備的電磁干擾抑制能夠保證系統的安全性。弱電設備工作正常，不會因為電磁干擾而引發安全風險，確保系統的穩定運行。

5 結語

相控分合真空斷路器通過利用人工智能技術預測合分閘時間、選擇合適的合分閘相位，能夠從源頭抑制涌流與操作過電壓，保護車載設備，進而提高電氣系統的可靠性。這一技術的應用將為電氣系統的安全穩定運行提供重要保障，具有廣闊的應用前景。