高壓交流斷路器合成試驗回路參數計算及其仿真研究

邢文奇，李 陽，張煜烽

（河南省高壓電器研究所有限公司，河南 平頂山 467000）

1 合成試驗回路

合成試驗回路分為兩大類。一是電壓引入回路，電流源除提供短路電流外，還要提供瞬態恢復電壓的起始部分，在由電流源所提供的恢復電壓峰值附近，觸發電壓源引入瞬態恢復電壓的高壓部分。二是電流引入回路，電流源提供過零前的大電流。電壓源在電流過零前就已經作用在被試斷路器上，同時也提供一部分電流與電流源電流疊加在一起構成短路電流。電流過零時，電壓源提供的恢復電壓立即作用在斷路器上。通過多年的實踐已經證明，電流引入法與實際運行條件的等價性最好，因此國內外很多大容量試驗站采用這種試驗方式[1-10]。以電力網絡作為電流源的合成試驗回路原理如圖1所示，其中T為短路沖擊變壓器，MS為保護斷路器，MB為合閘開關，AB為輔助開關，TO為被試斷路器，AL為人工近區故障鏈路，Cs為充電主電容，Ls為調頻電感，R1、R01以及R02均為調頻電阻，C1、C01以及C02均為調頻電容，Gap為點火球裝置，Cd為時延電容，Ld和Ls為調節電抗器。

圖1 合成試驗回路原理圖

2 試驗回路參數計算

調節電流源回路參數主要是為了滿足試驗所需的短路電流，而選擇合適的電壓源回路參數則是為了要滿足熄弧點電流斜率di/dt以及弧后TRV的要求。高壓交流斷路器開斷產生的TRV取決于回路參數（電容、電感以及電阻等）和斷路器特性（電弧電壓、弧后電導以及斷口并聯電容等）兩個方面。對于試驗來說，無需考慮斷路器特性對TRV產生的影響，只要在開路條件下通過調節試驗回路參數“制作”出符合標準規定的預期TRV波形即可滿足試驗要求。

根據文獻[11]得出試驗回路參數計算值。結合標準規定以及試驗回路的雜散電容和電感等，利用Simulink仿真對計算值進行微調可得到如表1所示的回路參數投切值，回路中各個元件含義同圖1，ucs0為Cs上的初始電壓。

表1 電壓源回路參數投切值

3 MATLAB/Simulink仿真實例

3.1 成功開斷狀態仿真

根據圖1試驗回路原理圖，結合計算所得投切參數，利用Simulink建立試驗回路仿真模型如圖2所示，其仿真計算結果如圖3所示。

圖2 斷路器合成試驗回路仿真模型

3.2 故障狀態仿真

在實際試驗回路專門設置一個故障去測量各個元件的過電壓是不現實的，因此有必要利用仿真方法分析故障時的過電壓。斷路器在合成試驗過程中如果開斷失敗，由于輔助開關已將電流源回路隔離開來，此時回路中的電流僅由電壓源提供，其值相對于試驗電流很小，如圖3（a）所示。因此本文不再考慮電流對回路元件的影響，重點對試驗回路在故障狀態下的過電壓進行計算分析。試驗過程中產生的過電壓主要包括以下兩種情況；（1）電壓投入過早，電流源回路引入高電壓；（2）試品開斷后發生擊穿產生過電壓。

圖3 正常開斷情況下試驗電流和恢復電壓仿真波形

3.2.1 電壓投入過早的仿真計算

分析圖1試驗回路可知，試品支路的合成電流是電流源工頻電流和電壓源引入電流之和。因試品分閘時間的分散性或時序控制整定錯誤等因素造成引入電流投入太早，同工頻電流疊加，試品將提前開斷，此時輔助開關因為反向引入電流的原因不能開斷，隔離電壓源和電流源的作用失效，高電壓被引入至電流源回路。為模擬電壓提前投入的情況，將圖2中Gap的閉合時間提前500 μs，計算結果如圖4所示。針對此類情況，可在電流源側安裝保護球或者避雷器，以避免高電壓對電流源回路設備造成破壞。

圖4 電壓投入過早的試驗電流和恢復電壓仿真波形

3.2.2 試品重擊穿的仿真計算

試品開斷后發生重擊穿產生過電壓不會影響至電流源回路，因此僅考慮電壓源回路，仿真模型運行計算結果如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，發生重擊穿后，元件R01、R02以及L02峰值電壓明顯升高。這是因為發生重擊穿時試品短路，試驗回路中所有電容對試品放電，電流流過R01、R02以及L02形成過電壓。特別是元件C02在試驗過程中電壓較高，其支路流過的放電電流較大。因此為避免設備受到損壞，可在過電壓較高的設備附近加裝避雷器。

圖5 正常開斷時回路元件兩端電壓

圖6 重擊穿時回路元件兩端電壓

4 結 論

通過對斷路器合成試驗回路參數計算及其仿真研究，得到以下結論。

（1）利用Simulink完全可以對試驗過程中產生的過電壓和過電流等情況進行仿真計算，其結果能幫助試驗人員分析試驗故障時的情況，對于試驗設備的保護和試驗測量也具有一定參考價值。

（2）在大容量試驗過程中，重擊穿情況時有發生。這就要求試驗回路各元件參數和保護措施選擇得當，利用Simulink分析試驗回路中的極端故障準確可靠，可為試驗順利高效地進行提供保障。

（3）模擬回路與實際回路事實上有差別，通常會存在著母線電感、雜散電容等不確定因素，不同的試驗回路，其值的大小會有所區別，這就要求試驗人員在試驗調試階段對其進行考慮，從而保證試驗的嚴謹性。