高壓交流斷路器短路關(guān)合和開斷試驗(yàn)的分析研究

郭成功

（甘肅電器科學(xué)研究院/甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741018）

1 引言

經(jīng)過(guò)幾代人堅(jiān)持不懈的奮斗和努力，我國(guó)已經(jīng)建成世界上規(guī)模最大的全國(guó)互聯(lián)互通的電網(wǎng)，擁有世界上最高電壓等級(jí)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(fā)生過(guò)像美國(guó)東部、歐洲電網(wǎng)曾發(fā)生過(guò)的大面積停電事故。2015 年，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到15.06 億kW，居世界第一，擁有世界上最多的單機(jī)100 萬(wàn)kW 以上的超超臨界發(fā)電機(jī)組。中國(guó)的電力事業(yè)起步雖然比西方國(guó)家晚了近80 年，然而現(xiàn)在卻成為了名副其實(shí)的世界電力大國(guó)，這是值得中國(guó)人民自豪的驕人業(yè)績(jī)，也是中國(guó)電力戰(zhàn)線上廣大職工一代代努力的結(jié)果。

高壓交流斷路器又稱高壓開關(guān)，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(fù)載電流，還可以在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，與保護(hù)裝置、自動(dòng)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(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)于保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有極其重要的意義。高壓交流斷路器經(jīng)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(fā)展史。而SF6 斷路器在20 世紀(jì)70 年代初就被廣泛應(yīng)用，它是以六氟化硫?yàn)闇缁〗橘|(zhì)，這種斷路器的開斷能力較強(qiáng)。在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行中，高壓交流斷路器發(fā)揮著重要的作用，在經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jí)的不斷提升，相應(yīng)地在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)和故障解決的難度提高。當(dāng)電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中突然發(fā)生如突發(fā)短路、異相接地、近區(qū)故障、失步故障等情況時(shí)，就需要故障臨近位置的高壓斷路器與配套裝置進(jìn)行故障切斷，防止故障影響的進(jìn)一步擴(kuò)大。本研究論述的主要內(nèi)容是當(dāng)電力系統(tǒng)在發(fā)生突發(fā)短路故障時(shí)，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(yàn)方法就是高壓交流斷路器短路關(guān)合和開斷試驗(yàn)。高壓交流斷路器短路關(guān)合和開斷試驗(yàn)既是斷路器產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)以及性能提升的必要手段，也是對(duì)其性能的最終考核驗(yàn)證。目前，我國(guó)整體正處于由高速發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量發(fā)展的階段，國(guó)內(nèi)各行各業(yè)都在大力提升質(zhì)量，那么提升試驗(yàn)成功率（也就是試驗(yàn)的質(zhì)量），無(wú)論對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的判定還是對(duì)產(chǎn)品性能的評(píng)價(jià)都具有重要意義，最終為高壓交流斷路器的新產(chǎn)品研發(fā)升級(jí)提供技術(shù)支持。

2 高壓交流斷路器短路關(guān)合和開斷的安全試驗(yàn)技術(shù)規(guī)定

斷路器觸頭應(yīng)能分別關(guān)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(nèi)的所有對(duì)稱和其他非對(duì)稱的短路電流。具有額定電壓容性水平開斷關(guān)合電流值的斷路器，應(yīng)能在低于額定電壓值的容性水平下關(guān)合開斷電流至其額定電壓值的容性關(guān)合開斷電流值。如果實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)容量能力滿足，試驗(yàn)應(yīng)盡可能使用直接試驗(yàn)的方式。如果實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)容量能力無(wú)法滿足試驗(yàn)要求，則可以選擇合成試驗(yàn)的方式來(lái)完成試驗(yàn)。作為進(jìn)行短路關(guān)合開斷試驗(yàn)的推薦經(jīng)驗(yàn)，在試品數(shù)量上試驗(yàn)應(yīng)在同一臺(tái)試品上完成。在試驗(yàn)試品的安裝布局上針對(duì)受試斷路器布置應(yīng)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(shí)驗(yàn)室一般都備有與之等效的支架）。依據(jù)目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)上的一些相關(guān)技術(shù)規(guī)定，三極供電斷路器的單極應(yīng)在單相供電試驗(yàn)回路中進(jìn)行，施加與完整三極供電斷路器三相開斷和關(guān)合中最高電應(yīng)力極上在相應(yīng)條件下承受相同的電流和幾乎相同的工頻電壓。通過(guò)對(duì)一極中各電壓?jiǎn)卧g的電壓變化分布的綜合分析即可初步確定每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的電壓。在關(guān)合和開斷兩個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行前后均應(yīng)按空載操作順序進(jìn)行操作（如O-CO、CO、O），并記錄其合閘時(shí)間、分閘時(shí)間等特性參數(shù)（該數(shù)據(jù)可以和機(jī)械特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以確保其準(zhǔn)確性）。在斷路器關(guān)合和開斷試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中，斷路器在一般情況下不應(yīng)該同時(shí)出現(xiàn)以下異?，F(xiàn)象：（1）表現(xiàn)出控制電路或帶電觸頭上發(fā)生損壞的異常工作現(xiàn)象；（2）表現(xiàn)出相與相之間或相對(duì)地之間存在相互擊穿放電的現(xiàn)象；（3）表現(xiàn)出與相鄰近的各種設(shè)備之間存在有害的相互作用；（4）表現(xiàn)較突出的或具有缺點(diǎn)可能直接影響危及其設(shè)備操作者的安全以及性能等。在試驗(yàn)后斷路器的狀態(tài)檢查上，可在任意一個(gè)試驗(yàn)方式結(jié)束后，對(duì)斷路器進(jìn)行狀態(tài)檢查。作為試品的斷路器其機(jī)械部件和絕緣件應(yīng)基本上與進(jìn)行短路試驗(yàn)前的實(shí)際工作狀態(tài)相同。通過(guò)外觀檢查通常足以驗(yàn)證其絕緣性能。試驗(yàn)方式主要有T10、T30、T60、T100s、T100s（b）、T100a、OP1、OP2。其中除T100a 的操作順序?yàn)橥?，其余試?yàn)方式的操作順序均為。對(duì)于各種試驗(yàn)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要正確區(qū)分中性首開極系數(shù)1.5（中性點(diǎn)非有效接地）和中性首開極系數(shù)1.3（中性點(diǎn)有效接地）。對(duì)于試驗(yàn)操作方式均為T100a的開斷試驗(yàn)，隨觸頭短路分離起始時(shí)刻的不同對(duì)其試驗(yàn)的操作嚴(yán)酷度也就會(huì)有很大程度的區(qū)別，為了使非對(duì)稱性的要求從一相轉(zhuǎn)移到另外一相，各次開斷試驗(yàn)之間短路起始點(diǎn)的角度都需要依次推60°。在相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（例如：GB/T 1984—2014）中還對(duì)如燃弧時(shí)間，最后電流半波的參數(shù)，預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓等關(guān)鍵參數(shù)做出了具體要求。

3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)從考核的最終意義上來(lái)講，主要分為研發(fā)升級(jí)型試驗(yàn)和考核判定型試驗(yàn)。所謂研發(fā)升級(jí)型試驗(yàn)就是產(chǎn)品經(jīng)過(guò)研發(fā)后通過(guò)試驗(yàn)的方式來(lái)對(duì)新產(chǎn)品所提升改進(jìn)的方面做出一個(gè)相應(yīng)的評(píng)價(jià)，并依據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)新產(chǎn)品的新技術(shù)做出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)整和完善，最終形成一個(gè)完整的參數(shù)調(diào)整。而性能考核中的判定型性能試驗(yàn)則主要是對(duì)已經(jīng)研制成型的相關(guān)產(chǎn)品是否依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或其他相關(guān)產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其性能進(jìn)行是否符合性能的判定，為后續(xù)產(chǎn)品在實(shí)際工作條件下的使用提供判定依據(jù)。由此可見，無(wú)論試驗(yàn)的最終目的如何，在試驗(yàn)業(yè)務(wù)辦理時(shí)，生產(chǎn)企業(yè)作為委托方首先要向承接試驗(yàn)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供一套完整的試驗(yàn)產(chǎn)品的技術(shù)條件及試驗(yàn)大綱（包括如保證額定操作順序的操作機(jī)構(gòu)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(shù)），以確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室在承接業(yè)務(wù)后依據(jù)委托方的要求和相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，編制試驗(yàn)工作卡，方便試驗(yàn)樣品的流轉(zhuǎn)和具體試驗(yàn)的實(shí)施。試品按照試驗(yàn)工作卡流轉(zhuǎn)至各個(gè)承接具體試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室后，各實(shí)驗(yàn)室再依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及具體的試驗(yàn)細(xì)則進(jìn)行試驗(yàn)，并形成試驗(yàn)的原始記錄，待所有試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后統(tǒng)一匯總編制出完整的檢測(cè)報(bào)告，簽字蓋章后交付給委托方。

4 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

容量試驗(yàn)室在接收到高壓交流斷路器后首先要對(duì)斷路器進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的外觀檢查和基本操作，確認(rèn)斷路器無(wú)誤后，可先根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)提供的該斷路器接線圖進(jìn)行控制線的連接，以確保該試驗(yàn)室時(shí)序控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地控制斷路器的合分操作。完成控制接線后，依據(jù)斷路器的額定電壓，額定電流以及委托試驗(yàn)的具體方式和試驗(yàn)等級(jí)，選擇與試驗(yàn)相匹配的試驗(yàn)回路和相應(yīng)的采集系統(tǒng)前端設(shè)備（如電流線圈、電壓互感器等）。對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于相關(guān)試驗(yàn)電源條款的回路參數(shù)控制規(guī)定，試驗(yàn)操作人員應(yīng)先將相關(guān)試驗(yàn)電源回路短路連接，通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)電源（如沖擊高壓發(fā)電機(jī)/高壓電網(wǎng)），試驗(yàn)電源主開關(guān)回路中的電阻抗，變壓器回路連接點(diǎn)等方式，選相開關(guān)的電合閘工作角度，TRV（瞬態(tài)恢復(fù)電壓）試驗(yàn)回路工作參數(shù)等條件來(lái)最終準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)相關(guān)試驗(yàn)回路參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得到的試驗(yàn)電壓，工頻電流，恢復(fù)電壓，試驗(yàn)電流有效值，試驗(yàn)電流功率峰值，試驗(yàn)電流直流因數(shù)分量，功率成本因數(shù)，TRV 等試驗(yàn)參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)完成后，將試品連接至主回路中，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)操作方式開始試驗(yàn)。以沖擊發(fā)電機(jī)為試驗(yàn)電源為例，試驗(yàn)過(guò)程中，首先讓沖擊發(fā)電機(jī)自己開始勵(lì)磁，當(dāng)沖擊發(fā)電機(jī)的入出口交流電壓控制達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)電源要求的出口電壓控制等級(jí)后，由輔助控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（即諸如時(shí)序控制系統(tǒng)和控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等）將已經(jīng)提前運(yùn)行設(shè)置好的控制程序進(jìn)行觸發(fā)，控制回路中的輔助控制設(shè)備（如保護(hù)斷路器、操作斷路器、選相合閘開關(guān)等）和試品動(dòng)作，完成整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程。同時(shí)，在整個(gè)試驗(yàn)程序指令發(fā)出的整個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一直處于采集狀態(tài)，待提前設(shè)置好的觸發(fā)點(diǎn)被觸發(fā)后，完成整個(gè)采集。如若斷路器動(dòng)作正常，且采集到的示波圖中讀取的相關(guān)參數(shù)滿足預(yù)期參數(shù)的要求，則認(rèn)為該次試驗(yàn)通過(guò)，時(shí)間間隔3 min后，繼續(xù)進(jìn)行下一次試驗(yàn)。待所有試驗(yàn)程序完成后，將示波圖和試驗(yàn)過(guò)程中形成的原始記錄整理好，結(jié)束試驗(yàn)（試驗(yàn)過(guò)程中要做好原始數(shù)據(jù)的記錄工作，并有效地形成原始記錄，以確保原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可溯源性，且滿足CNAS-TRL-009：2018 電氣檢測(cè)領(lǐng)域原始記錄的編制和管理中的要求。良好的原始記錄應(yīng)具備原始性、可操作性、真實(shí)性、有效性、溯源性和完整性）[2]。

5 數(shù)據(jù)采集和結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果有時(shí)可以通過(guò)直觀的肉眼觀察試驗(yàn)過(guò)程中的試驗(yàn)現(xiàn)象或試后檢查斷路器的外觀來(lái)做出判斷（如試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)監(jiān)視系統(tǒng)觀察到噴弧、打火等具體現(xiàn)象，試后檢查斷路器外觀時(shí)發(fā)現(xiàn)有噴弧或打火的痕跡），有時(shí)也可以通過(guò)額定操作來(lái)做出判斷（如試驗(yàn)過(guò)程中聽到異響，通過(guò)額定操作發(fā)現(xiàn)斷路器不能正常合分，判斷觸頭可能發(fā)生焊接等現(xiàn)象）。目前，我國(guó)斷路器生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展水平已比較成熟，上述兩種現(xiàn)象屬于比較少見的情況，而絕大多數(shù)情況下試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)不到具體現(xiàn)象，需要通過(guò)試驗(yàn)結(jié)束后分析試驗(yàn)示波圖來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)果的判定。試驗(yàn)示波圖就是通過(guò)試驗(yàn)前端對(duì)該試驗(yàn)的具體預(yù)期參數(shù)而對(duì)應(yīng)設(shè)定好后在試驗(yàn)過(guò)程中采集得來(lái)的。

高壓、大電流試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理大多是：將主回路上的強(qiáng)電信號(hào)通過(guò)分壓器、積分放大器等采集元件轉(zhuǎn)變成一個(gè)弱電信號(hào)傳輸?shù)讲杉岸松?，采集前端再通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換和E/O 轉(zhuǎn)換將弱電信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)光信號(hào)，由光纖傳導(dǎo)至主控室的采集系統(tǒng)主機(jī)，主機(jī)再將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字模擬信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)上，最后再由指定的采集軟件進(jìn)行示波圖的分析、還原和顯示。有時(shí)示波圖上可以很直觀地看到電壓或電流波形的畸變，通過(guò)畸變可以分析出試驗(yàn)過(guò)程中故障發(fā)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(duì)稱正弦波，則可能在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了放電的過(guò)程；若恢復(fù)電壓的起始部分開始就發(fā)生畸變且波形毛刺很大，則可能斷路器的觸頭間重復(fù)發(fā)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(wèn)題，波形勻稱且信號(hào)準(zhǔn)確，這時(shí)就需要通過(guò)讀取相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)，如試驗(yàn)電壓有效值、試驗(yàn)電流有效值、直流分量、工頻恢復(fù)電壓、TRV 等參數(shù)，并與預(yù)期參數(shù)進(jìn)行對(duì)比后再做出判斷。

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究詳細(xì)介紹了高壓交流斷路器關(guān)合和開斷試驗(yàn)，從試驗(yàn)要求到試驗(yàn)流程，從試驗(yàn)過(guò)程到數(shù)采結(jié)果分析，并對(duì)重點(diǎn)環(huán)節(jié)追加了解釋說(shuō)明。隨著國(guó)內(nèi)電力供電網(wǎng)絡(luò)能力的不斷提升，各試驗(yàn)室針對(duì)高壓交流斷路器關(guān)合和開斷試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)芰驮囼?yàn)方法也在不斷改進(jìn)提高。無(wú)論是直接試驗(yàn)方式還是合成試驗(yàn)方式，解決好試驗(yàn)?zāi)芰?，最終滿足客戶和國(guó)家電力供電網(wǎng)絡(luò)的需求，將是未來(lái)各容量試驗(yàn)室發(fā)展的主要方向。