雙斷口斷路器兩端接地時(shí)的分/合閘時(shí)間測(cè)試方法

潘浩，楊謹(jǐn)銘，周仿榮，馬御棠，錢(qián)國(guó)超，馬儀

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

高壓開(kāi)關(guān)是針對(duì)高壓、大電流進(jìn)行開(kāi)斷的設(shè)備，通常用于額定電壓3 kV以上的設(shè)備開(kāi)斷。高壓斷路器是一種常見(jiàn)的高壓開(kāi)關(guān)，能夠控制輸電線路或電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)輸電線路或電力設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，斷路器繼電保護(hù)裝置發(fā)揮作用，將電力系統(tǒng)中發(fā)生故障的部分切除，防止故障范圍擴(kuò)大，確保未發(fā)生故障的部分能夠繼續(xù)正常運(yùn)行。高壓斷路器在電力系統(tǒng)中起到控制和保護(hù)的作用，而控制和保護(hù)要求反應(yīng)時(shí)間在ms級(jí)，因此斷路器的分/合閘時(shí)間和不同期性能影響著電力系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制和保護(hù)[1-6]。

DL/T 273—2012《±800 kV特高壓直流設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)高壓斷路器的固有分/合閘時(shí)間規(guī)定：各斷口合閘不同期不大于3 ms，分閘不同期不大于2 ms。生產(chǎn)廠家一般也會(huì)規(guī)定斷路器的分/合閘時(shí)間。常規(guī)斷路器一般要求快速斷開(kāi)線路故障，對(duì)合閘時(shí)間基本無(wú)要求，因此需要斷路器“快分慢合”。某些特殊用途的斷路器則相反，如串補(bǔ)旁路斷路器要求快速合閘保證串補(bǔ)設(shè)備旁路，對(duì)分閘時(shí)間基本無(wú)要求，此時(shí)需要斷路器“快合慢分”。無(wú)論常規(guī)斷路器和串補(bǔ)旁路斷路器，均對(duì)分/合閘時(shí)間作出要求，因此有必要對(duì)高壓斷路器的分/合閘時(shí)間和不同期進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

文獻(xiàn)[7]分析了斷路器不同接地方式的分/合閘時(shí)間測(cè)試原理，提出一端接地的分/合閘時(shí)間測(cè)試方法。一端接地?zé)o法準(zhǔn)確區(qū)分不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且測(cè)試人員的安全存在隱患。斷路器一端接地情況下，實(shí)際是將測(cè)試儀的接地端與斷路器接地端相連，信號(hào)端與斷路器非接地端相連，通過(guò)測(cè)試接地端與信號(hào)端之間的通斷來(lái)判斷斷路器的分/合閘狀態(tài)，進(jìn)而測(cè)得斷路器的分/合閘時(shí)間。

文獻(xiàn)[8]提出斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測(cè)試方法，論述了兩端接地對(duì)于測(cè)試人員安全的重要性。若一端接地，則斷路器未接地的一端會(huì)因周?chē)芸站€的磁場(chǎng)和電容耦合電流產(chǎn)生高壓，安全性無(wú)法保證。在斷路器的分/合閘時(shí)間測(cè)試中，為了提高測(cè)試的安全性，斷路器應(yīng)使用兩端接地的接地方式。高頻測(cè)試技術(shù)是斷路器兩端接地的分/合閘時(shí)間測(cè)試的常用方法。當(dāng)發(fā)射信號(hào)為高頻率交流信號(hào)時(shí)，2個(gè)接地點(diǎn)之間的電感增大，使得2個(gè)接地點(diǎn)之間的大地阻抗遠(yuǎn)大于合閘時(shí)斷路器的阻抗，測(cè)試儀可以準(zhǔn)確測(cè)得斷路器斷口的分合狀態(tài)。

文獻(xiàn)[9]研究雙斷口斷路器開(kāi)斷速度對(duì)斷口電壓分布的影響，說(shuō)明了提高分/合閘時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確性具有重要意義。不同測(cè)量回路接地隔離開(kāi)關(guān)引線的長(zhǎng)度、粗細(xì)等不同，會(huì)影響信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。為此，通常采用適當(dāng)提高測(cè)量功率的方法，在信號(hào)接收器接收的信號(hào)未達(dá)到飽和的前提下，增大輸出功率，使信號(hào)接收器更容易接收到有用信號(hào)。

在實(shí)際檢修試驗(yàn)過(guò)程中，作業(yè)管理部門(mén)會(huì)對(duì)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行嚴(yán)格控制。為防止由于斷路器附近的帶電設(shè)備產(chǎn)生的感應(yīng)電給作業(yè)人員帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)，通常會(huì)拉上斷路器一側(cè)接地隔離開(kāi)關(guān)或在另一側(cè)加掛接地線。在斷路器兩端接地時(shí)，常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備通常無(wú)法對(duì)雙斷口斷路器的分/合閘時(shí)間進(jìn)行測(cè)量[10-11]。因此，有必要設(shè)計(jì)出一套能在雙斷口斷路器兩端接地的情況下進(jìn)行分/合閘時(shí)間測(cè)試的設(shè)備。本文提出將信號(hào)發(fā)射裝置和信號(hào)接收裝置夾于雙斷口短路器2個(gè)斷口的兩側(cè)，利用信號(hào)接收裝置來(lái)判斷斷路器的開(kāi)斷；同時(shí)采集斷路器分/合閘線圈上的電壓信號(hào)，計(jì)算該電壓信號(hào)與斷路器斷口接地側(cè)的信號(hào)接收裝置采集到的電壓信號(hào)之間的時(shí)間差，進(jìn)而得到斷路器分/合閘的準(zhǔn)確時(shí)間。

1 雙斷口斷路器研究現(xiàn)狀

斷路器的分閘時(shí)間即全分閘時(shí)間，指的是斷路器的跳閘線圈加上電壓，接到跳閘指令的時(shí)刻起，到斷路器開(kāi)斷直至電弧完全熄滅為止所需的時(shí)間。全分閘時(shí)間為固有分閘時(shí)間和燃弧時(shí)間之和。固有分閘時(shí)間是從斷路器接到跳閘指令到觸頭分離的一段時(shí)間；燃弧時(shí)間是從觸頭分離到電弧完全熄滅的時(shí)間。斷路器的合閘時(shí)間，指的是從合閘線圈加上電壓，接到合閘指令的時(shí)刻起，到斷路器主觸頭均接觸為止所需的時(shí)間。一般情況下，合閘時(shí)間大于分閘時(shí)間。

常見(jiàn)的斷路器有單斷口斷路器和雙斷口斷路器。雙斷口斷路器由于均壓電容的均壓作用，能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)斷口同時(shí)作用，切斷短路電流。相對(duì)于單斷口斷路器，雙斷口斷路器可以控制更高電壓等級(jí)的設(shè)備開(kāi)斷。雙斷口斷路器通過(guò)斷口單元的串聯(lián)，降低各斷口上的電壓，從而降低弧隙恢復(fù)電壓。雙斷口將電弧分割成2個(gè)串聯(lián)的小電弧段，雙斷口比單斷口的電弧拉伸更長(zhǎng)，弧隙電阻更大，從而使得介質(zhì)恢復(fù)速度增大，分/合閘速度提高。

文獻(xiàn)[12]開(kāi)發(fā)了一種1 100 kV雙斷口斷路器，成功完成了在絕緣、開(kāi)斷和機(jī)械性能等方面的型式試驗(yàn)。雙斷口提高了斷路器的電壓等級(jí)，不僅可以滿足斷路器穩(wěn)定性、速度特性等要求，同時(shí)控制了成本。多斷口斷路器各端口的電壓分布可能不完全相同，但多斷口斷路器的開(kāi)斷能力是單斷口斷路器的2倍以上。在實(shí)際的運(yùn)行中，雙斷口斷路器具有較為廣泛的應(yīng)用。

2 雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測(cè)試

2.1 分/合閘時(shí)間測(cè)試原理及方法

雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測(cè)試的原理如圖1所示。

圖1 雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測(cè)試原理

測(cè)試原理為：雙斷口斷路器的每個(gè)斷口、斷路器兩側(cè)接地隔離開(kāi)關(guān)、斷路器公共點(diǎn)接地引線和接地網(wǎng)組成回路，在該回路上裝設(shè)信號(hào)發(fā)射器和信號(hào)接收器，斷路器的開(kāi)斷過(guò)程中信號(hào)接收器接收到信號(hào)的中斷則表示斷路器的開(kāi)斷[13-14]。

試驗(yàn)方法為：將斷路器公共點(diǎn)加掛接地線，將信號(hào)發(fā)射器夾于該接地線上，信號(hào)發(fā)射器的電壓信號(hào)同時(shí)接至斷路器分/合閘線圈；同時(shí)將信號(hào)接收器1和信號(hào)接收器2夾于雙斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開(kāi)關(guān)引線上；雙斷口斷路器各個(gè)斷口、接地隔離開(kāi)關(guān)、接地網(wǎng)及斷路器公共點(diǎn)接地線分別組成2個(gè)回路。夾于斷路器公共點(diǎn)接地引線上的信號(hào)發(fā)射器相當(dāng)于變壓器的原邊線圈，夾于雙斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開(kāi)關(guān)引線上的信號(hào)接收器相當(dāng)于變壓器的副邊線圈，實(shí)際測(cè)量時(shí)采用鉗形電流表[15-16]。用高壓鉗形表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)由2人操作，操作人員站在絕緣墊上，不得觸及其他設(shè)備，以免發(fā)生短路或接地。

2.2 雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間信號(hào)獲取

DL/T 402—2016《高壓交流斷路器》中關(guān)于斷路器分閘時(shí)間的定義為：從接到跳閘指令到斷路器開(kāi)斷至三相電弧完全熄滅所需要的全部時(shí)間，稱為全分閘時(shí)間，等于固有分閘時(shí)間與燃弧時(shí)間之和。固有分閘時(shí)間是指從斷路器接到跳閘指令到觸頭剛剛分離的時(shí)間，燃弧時(shí)間是指從觸頭剛剛分離到電弧完全熄滅的時(shí)間。

DL/T 402—2016《高壓交流斷路器》中關(guān)于斷路器合閘時(shí)間的定義為：分閘位置的斷路器從合閘回路帶電時(shí)刻到所有極的觸頭都接觸時(shí)刻的時(shí)間間隔。因此測(cè)量合閘時(shí)間的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)包括合閘回路帶電時(shí)刻和所有極的觸頭都接觸時(shí)刻[17]，對(duì)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)測(cè)量的準(zhǔn)確性直接決定斷路器分/合閘時(shí)間測(cè)試的精度。

分/合閘回路帶電時(shí)刻信號(hào)獲?。含F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行斷路器分/合閘時(shí)間測(cè)試時(shí)，分/合閘信號(hào)是從分/合閘線圈的二次端子側(cè)施加，因此只需在分/合閘線圈的控制端夾上電流鉗，并將電流鉗接至示波器即可。

斷路器所有極的觸頭都接觸時(shí)刻信號(hào)獲?。簩?duì)于雙斷口斷路器兩側(cè)不接地的情形，斷路器合閘信號(hào)的獲取方式為測(cè)量斷口兩側(cè)通斷狀態(tài)[18]。對(duì)于兩端接地的雙斷口斷路器而言，上述方式已不適用。對(duì)此，可采取利用接地網(wǎng)連通形成回路的方式進(jìn)行測(cè)量[19]。在斷路器合閘狀態(tài)下，信號(hào)接收器的采樣線圈中存在感應(yīng)電流；在斷路器的分閘狀態(tài)下，信號(hào)接收器的采樣線圈中無(wú)電流。此時(shí)，當(dāng)夾于斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開(kāi)關(guān)引線上的信號(hào)接收器接收到電流信號(hào)時(shí)表示斷路器合閘完畢[20]。將夾于斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開(kāi)關(guān)引線上的信號(hào)接收器和合閘線圈上的鉗形電流表接至同一臺(tái)示波器，通過(guò)信號(hào)的時(shí)間對(duì)比即可獲取合閘時(shí)間。當(dāng)夾于斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開(kāi)關(guān)引線上的信號(hào)接收器接收到電流信號(hào)突然消失表示斷路器分閘完畢。將夾于斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開(kāi)關(guān)引線上的信號(hào)接收器和分閘線圈上的鉗形電流表接至同一臺(tái)示波器，通過(guò)信號(hào)的時(shí)間對(duì)比即可獲取分閘時(shí)間。

3 基于EMTP-ATP的雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測(cè)試仿真

為驗(yàn)證本文所提雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測(cè)試方法的正確性，采用EMPT-ATP電磁仿真軟件進(jìn)行仿真。

3.1 合閘時(shí)間測(cè)試

雙斷口斷路器兩側(cè)接地時(shí)分/合閘時(shí)間測(cè)試仿真的電路模型如圖2所示。采用電壓10 V、頻率50 Hz的電壓源模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的信號(hào)發(fā)射器[21]；采用2臺(tái)電流互感器(current transformer，CT)CT1、CT2模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的信號(hào)接收器；設(shè)置2臺(tái)斷路器Bk1和Bk2模擬雙斷口斷路器的2個(gè)斷口，其中Bk1和Bk2的合閘時(shí)間分別設(shè)置為70 ms和73 ms；雙斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開(kāi)關(guān)與接地網(wǎng)之間的接觸電阻設(shè)置為0.5 Ω[9]。

圖2 雙斷口斷路器兩側(cè)接地時(shí)分/合閘時(shí)間測(cè)試仿真電路圖

仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鯟T1在70 ms時(shí)刻采集到電流信號(hào)，CT2在73 ms時(shí)刻采集到電流信號(hào)，均與設(shè)定參數(shù)相符，驗(yàn)證了該測(cè)試方法正確有效。

圖3 雙斷口斷路器兩側(cè)接地時(shí)合閘時(shí)間測(cè)試仿真結(jié)果

3.2 分閘時(shí)間測(cè)試

由于分閘后電流波形仍在回路上繼續(xù)傳播，為減小測(cè)量誤差，分閘時(shí)間測(cè)試時(shí)的信號(hào)源應(yīng)采用高頻信號(hào)。電路模型如圖2所示。采用電壓10 V、頻率1 000 Hz的電壓源模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的信號(hào)發(fā)射器；采用CT模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的信號(hào)接收器；設(shè)置2臺(tái)斷路器Bk1和Bk2模擬雙斷口斷路器的2個(gè)斷口，其中Bk1和Bk2的分閘時(shí)間分別設(shè)置為17 ms和19 ms；雙斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開(kāi)關(guān)與接地網(wǎng)之間的接觸電阻設(shè)置為0.5 Ω。

仿真結(jié)果如圖4所示。可以看出CT1在17 ms時(shí)刻采集到的電流信號(hào)中斷，CT2在19 ms時(shí)刻采集到的電流信號(hào)中斷，與設(shè)定參數(shù)相符，驗(yàn)證了該測(cè)試方法正確有效。

圖4 雙斷口斷路器兩側(cè)接地時(shí)分閘時(shí)間測(cè)試仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出兩端接地情況下的雙斷口斷路器分/合閘時(shí)間測(cè)試方法，并對(duì)該方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)論如下：

a)在雙斷口斷路器兩端接地的情況下，本文提出的分/合閘時(shí)間測(cè)試方法有效，能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的精度需求；

b)由于分閘后電流波形仍在回路上繼續(xù)傳播，為減小測(cè)量誤差，分閘時(shí)間測(cè)試時(shí)的信號(hào)源應(yīng)采用高頻信號(hào)。

上述雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測(cè)試方法，可滿足雙斷口斷路器兩端接地情況下的檢修、預(yù)試需求，降低作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。