斷路器分合閘瞬間的不同期對電網穩定運行的影響

摘要：若斷路器的分合閘時間超過規程，就可能導致電力系統的非全相運行進而導致繼電保護的誤動作，因此斷路器的分合閘時間直接關系到電網故障持續時間的長短，對電力系統持續可靠運行有著十分重要的影響。電力系統的各種運行狀況、檢修與維護導則等也對高壓斷路器的電氣和機械性能提出了較高要求。在分析斷路器分合閘動作時間及過電壓的基礎上，深入研究造成高壓斷路器的動作時間不同期的原因及三相不同期超標的處理，為電網安全、穩定、可靠運行提供依據。

關鍵詞：斷路器；分合閘不同期；電力系統穩定

作者簡介：李亞明（1987-），男，河北滄州人，國網冀北電力有限公司檢修分公司，助理工程師；張建勛（1971-），男，滿族，北京人，國網冀北電力有限公司檢修分公司，工程師。（北京 102488）

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0229-02

高壓斷路器在電網中主要起控制及保護兩方面作用。控制作用指根據電力系統運行的需要，將部分線路或電氣設備投入或退出運行，如變壓器的投入或退出；保護作用指的是在電力線路或電氣設備發生故障時，斷路器接到繼電保護裝置發出的跳閘信號，將線路或故障電氣設備從電網中迅速切除，確保電力系統的正常運行。要求這種不同期程度越小越好，斷路器分合閘嚴重不同期，將造成線路或用電設備的非全相接入或切除，可能產生危及設備絕緣的過電壓，對斷路器的觸頭也會帶來損傷，并造成發電機、變壓器同期并列不良。因此對斷路器進行三相同期性試驗是很有必要的。[1]電壓等級在220kV及以上的電力系統中，高壓側多為分相操作的斷路器，有時由于機械性能或誤操作而導致三相不能同時合閘或跳閘，造成了電力系統的非全相運行。這雖然不會導致過電流或者過電壓運行，但會在系統中產生零序和負序分量，從而對發電機轉子和通訊系統產生影響。[2，3]另外，電力系統不對稱運行產生的零序分量和負序分量，會對相應的繼電保護裝置產生影響，嚴重情況下會導致保護裝置誤動。

本文在分析斷路器分合閘動作時間及過電壓的基礎上，深入研究造成高壓斷路器的動作時間不同期的原因及三相不同期超標的處理，為電網安全、穩定、可靠運行提供依據。

一、斷路器動作時間分析

1.斷路器的合閘時間

當電網中薄弱環節發生瞬間故障時，如果斷路器合閘時間比規定值長，則會導致重合閘時間延長，嚴重情況下會導致系統解列。如果合閘時間小于規定時間，則會導致電流間隔時間變短，此時有可能因為重合閘不成功而導致線路非正常停電。[4，5]圖1為斷路器合閘過程。從接到合閘指令瞬間起，到所有極的觸頭都接觸瞬間的時間為斷路器的合閘時間，此段時間為t1。

2.斷路器的分閘時間

斷路器的全開斷時間t4包括固有分閘時間t2和燃弧時間t3。其中，從系統發生故障到繼電保護發出跳閘指令的時間為保護的固有動作時間。從接到分閘指令瞬間起，到所有極的觸頭都分離瞬間的時間為固有分閘時間t2，從分離瞬間到電弧熄滅為止是斷路器燃弧時間t3。表2是常見斷路器的分斷時間和全斷開時間。

二、斷路器分合閘時間不同期的故障

斷路器分合閘不同期可能存在多種原因，比如斷路器液壓操作機構油路管道中存在氣泡引起的不同期；斷路器超行程造成分合閘時間不同期。[6]斷路器拉桿卡澀而造成分合閘時間不同期等，下面就液壓操作機構油路管道中存在氣泡引起的不同期做試驗。

某變電站220kV SF6斷路器因故障發生跳閘，由故障錄波器測得三相合閘不同期時間為49ms，檢修人員根據斷路器機械特性測試儀測量斷路器的分、合閘時間的數據如表3所示。由試驗數據可以得到B相的Ⅰ、Ⅱ斷口合閘時間與A、C相的合閘時間差值明顯大。排除試驗接線、測試儀器、天氣環境等因素的影響，檢查SF6氣體壓力正常，電路無其他缺陷，轉換開關行程符合規定。檢查發現在液壓操作機構油路管道中存有殘余氣泡，在將油路管道氣體排凈后再進行試驗，得到的試驗數據如表4所示。

三、斷路器動作時間對電力系統穩定運行的影響

電網安全可靠運行需要對系統多方面因素進行綜合考慮。改善電網結構，保證系統充足無功裕度，加強堅強智能電網建設是穩定運行的基礎；低周減載、無功補償等是電網穩定運行的重要措施。而選擇動作時間符合規程、機械性能良好的斷路器，維持繼電保護裝置固有動作時間的穩定，以最大程度滿足電力系統穩定運行的要求，也是十分重要的，為此對斷路器的動作時間做出如下要求。

1.斷路器相間分閘、合閘不同步時間

如果斷路器相間分閘存在不同步問題，那么對電網安全穩定運行將產生很大危害。分閘不同步時間大于規程，則等于電力系統一定時間內的非全相運行。由此產生的不對稱電流則可能導致繼電保護裝置誤動作。如果斷路器相間含閘存在不同步問題，則會直接影響到系統中性點的運行，同樣會對電網造成嚴重危害。IEC標準規定斷路器相間合閘不同步時間應在5～10ms之間。國產LW6-220型斷路器分閘不同步時間3ms，合閘不同步時間為5ms。

2.電流間隔時間

斷路器無電流間隔時間必須符合標準規定才能確保電網的安全穩定運行，否則當線路發生故障，需要重合閘時，由于短時間內斷路器剛剛切除過一次系統故障，此時滅弧室內斷口處的介質強度有所下降，當需要再次切除故障時，滅弧能力可能受到影響。在切除瞬時性故障線路的情況下，則要求斷路器能在斷開電源、故障消失后盡快合閘恢復供電。我國標準規定110kV以下電壓等級的斷路器無電流間隔時間為0.5s，110kV斷路器無電流間隔時間為0.3s。

3.預計穿時間

所謂預擊穿時間是指斷路器在剛合前，靜觸頭與動觸頭間因放電提前導通，即在剛合前由于產生電弧而導致導通的時間。斷路器在切斷短路故障時因產生電弧而提前接通，電弧長度會隨著預擊穿時間的增長而變長，電弧所產生的能量可以將滅弧室斷口處的油氣化，同時由于電流間相互存在的電動力均阻礙斷路器進行合閘，使其關合能力降低。為保證電力系統的安全穩定運行，要求選擇的斷路器有良好的動作時間特性和嚴格的預擊穿時間。

四、結論

日常巡視過程中應檢查斷路器操作機構工作情況，同時掌握不同斷路器操作機構的分、合閘動作方式。結合歷年（次）斷路器的例行試驗數據以及當前斷路器的運行狀況對其進行綜合分析判斷。當出現異常情況時，應重點檢查分合閘線圈鐵心是否吸合良好，分、合閘控制回路是否正常，如控制回路的端子排接線是否有松動，轉換開關行程是否合適等。

定期對實驗儀器進行校驗，以確保儀器的使用精度。同時也應避免由試驗人員、試驗方法及試驗儀器造成的誤差，在每次檢修后要按照嚴格的作業流程對斷路器進行正確的試驗，用試驗數據判斷和發現問題，以提高檢修質量，維護好斷路器。斷路器在系統中有著重要作用，由于非全相運行時各序電壓和電流會造成系統不同期現象，由此可能導致電網中的繼電保護誤動作或越級跳閘，造成嚴重事故。運行中既需要由非全相判別回路和靈敏的負序電流元件組成的非全相運行保護，也必須考慮在保護動作時間整定時躲過斷路器分合閘瞬間的不同期現象（一般t=0.2～0.5s便可躲過）。下面對斷路器的使用提出如下幾點建議，以保證電力系統安全穩定運行：

（1）在調整時，要使斷路器各種動作時間均符合電網運行技術條件的規定，并應反復測量、驗證，使參數在運行中不會隨意變化，保證斷路器性能穩定。

（2）在進行新建、擴建及更換老舊設備時，應首先選用燃弧時間短、動作特性好、預擊穿時間短的斷路器，同時，斷路器的性能應穩定，以保證電力系統可靠持續供電的要求。

（3）斷路器經過大修后，在進行測量、調整各個動作時間參數時應與繼電保護裝置相互配合，使其達到技術條件的要求。同時，繼電保護裝置的固有動作時間也應保持穩定，在電力系統安全穩定的計算分析中，要以斷路器產品使用說明書中所給定的最不利的數值作為依據。

（4）斷路器在新安裝投入使用時要保證施工工藝質量，在檢修預試時，要保證檢修質量，維護要及時，不要因滅弧室內斷口間的絕緣強度不夠或下降，在分、合閘過程中使開斷性能變壞，或加大了預擊穿時間，從而影響斷路器關合性能。

由于斷路器在分合閘過程中內部物理過程十分復雜，到目前為止仍然不能用完整的數學模型加以描述。只能在反復試驗、維修中修改設計參數，使斷路器性能不斷完善，以滿足電力系統安全、可靠、持續供電的要求。

參考文獻：

[1]王小華，榮命哲，吳翊，劉定新.高壓斷路器故障診斷專家系統中快速診斷及新知識獲取方法[J].中國電機工程學報，2007，（3）.

[2]宋杲，崔景春，袁大陸.1999～2003年高壓斷路器運行分析[J].電力設備，2005，（2）.

[3]徐國政，等.高壓斷路器原理和應用[M].北京：清華大學出版社，2000.

[4]張健，石結銀.對斷路器分（合）閘保持回路的一點改進[J].電力自動化設備，2004，24（9）：97-98.

[5]龔蔚.高壓斷路器在線監測和狀態評估系統的研究[D].沈陽：東北大學，2008.

[6]李琦.高壓斷路器機械特性在線監測研究[D].北京：華北電力大學，2011.