雙端接地條件下斷路器時間特性測試創新方法研究

林忠立

（國網福建檢修公司，福建 福州350000）

高壓斷路器作為合分電流的重要變電設備，需要定期停電進行合、分閘時間及相間同期性的時間特性試驗。傳統的斷路器時間特性測試方法要求斷開斷路器一側的地刀，隨著變電站電壓等級越來越高，變電設備感應電傷人和高處作業人身墜落的風險也越發突出。變電安規要求斷路器在檢修狀態時，斷路器兩端需有效接地，而傳統的斷路器時間特性測試方法要求斷開斷路器一側地刀，給現場測試造成了安全隱患，因此研究雙端接地條件下的斷路器時間特性具有很強的現實意義。

1 斷路器單端接地時間特性的測試方法

傳統斷路器特性測試原理如圖1，斷路器特性測試儀在斷路器斷口兩端施加一個電壓等級較低的直流電壓。當斷路器處于分閘狀態時，信號回路處于斷開狀態。測試儀器向斷路器的合閘控制回路發出220V的脈沖電壓時，測試儀的計算機開始同步計時。斷路器控制回路收到脈沖信號，斷路器操動機構開始驅動合閘過程，一段時間后，斷路器動靜觸頭良好接觸，合閘過程結束，接在斷口兩端的信號回路接通，測試儀的計算機結束計時。從測試儀發出合閘脈沖電壓，到測試儀的信號回路接通的過程所需的時間就是斷路器的合閘時間。分閘時間測試同樣采取斷路器特性測試信號回路合閘“1”狀態到分閘“0”狀態的時間進行測試。

2 傳統斷路器時間特性測試方法的安全風險

變電站接地網主要以銅網構成，斷路器兩側地刀的導通電阻一般小于50mΩ，因此不論斷路器本身處于合閘狀態還是分閘狀態，斷路器特性測試儀接在斷路器斷口兩端的信號回路均可以通過地網導通，儀器判斷斷路器始終處于合閘狀態。傳統的斷路器時間特性測試要求信號回路的通斷狀態在斷路器合分前后必須發生顯著變化，兩端接地條件下的斷路器無法開展時間特性測試。

為了能夠測到斷路器斷口的分合狀態，必須把一側的地刀拉開，此時臨近帶電間隔對處于檢修的斷路器產生感應電壓可達到20kV，甚至更高，造成高壓感應電傷人的風險，安全風險辨識如圖2。

圖2 斷路器單端接地時的感應電風險

對于GIS斷路器，單端接地的作業風險則更大。因為GIS的斷路器、刀閘、地刀的主體部分均位于GIS罐體內，信號回路測試線無法直接連到斷路器兩端的斷口。在檢修狀態下，隔離開關將斷路器與母線、線路間隔隔離后，斷路器通過兩側的地刀由GIS金屬殼體的接地端子與地網相連。傳統測試方法要求在地刀合閘狀態下拆除一側地刀裸露在殼體外部的接地片，此時該側地刀的分合閘狀態機械指示仍然為合閘狀態，導致了地刀分合閘位置指示與實際情況不符的安全隱患。

3 雙端接地條件下時間特性的幾種方法對比

鑒于單端接地條件下斷路器時間特性測試存在安全風險，目前業內已探索出幾種新的斷路器時間特性測試，這些方法能夠有效解決雙端接地條件下斷路器斷口狀態的識別問題。根據現場實際測試，以下著重介紹三種測試方法的原理、應用范圍及不足。

3.1 并聯電阻法

雙端接地時，斷路器在分合狀態下與地網的并聯電阻會發生變化，通過監測并聯電阻的變化可用來分析開關的分合時間，這種方法稱為并聯電阻法，測試原理如圖3。在現場測試時將儀器的20A直流恒流源與斷路器的主觸頭和地網構成回路，電壓采樣單元分析通道并聯在斷路器斷口兩端。當斷路器分閘時，斷口兩端電壓為20V恒流源在地網上的電壓降。而斷路器合閘時，斷路器電阻與地網電阻并聯，開關電阻是μΩ級而地網電阻是mΩ級，此時恒流源在二者并聯電阻上的電壓降將減小。斷路器合分時，特性測試以通過觀察電壓采樣單元錄制的波形變化起始點，即可判斷出和分閘動作時的剛分、剛合點。

圖3 并聯電阻法測試時間特性的原理

經現場測試過程中，該方法在敞開式斷路器上取得了很好的效果，如圖4。但在GIS斷路器上，這種方法難以取得令人滿意的結果。GIS兩端接地時，除了考慮地網的影響外還需要考慮GIS殼體電阻。以新東北ZHW-550型斷路器為例，使用回路電阻儀對GIS斷路器分、合閘狀態下兩端回路電阻進行測試。分閘狀態下，殼電阻與地網電阻的并聯值為240μΩ，而在合閘狀態下，回路電阻值為60μΩ，分合閘狀態下兩者都是μΩ級，嘗試將恒流源從20A加大到60A，斷路器兩端的電壓降變化范圍仍僅為3.6mV到14mV，分合狀態下電壓降太小，且波形幅值與信號噪聲幅值接近，電壓采樣單元上無法看出明顯的波形變化，電壓波形上難以找到斷路器斷開和閉合的閾值。

圖4 敞開式斷路器測試波形

若繼續加大恒流源電流，一方面大直流電流測試不安全，另一方面大容量直流電源現場使用極為不便。對各類型號的斷路器進行測試，此種方法只適用于敞開式斷路器雙端接地下的時間測試，并不適用于大多數GIS斷路器。

3.2 電磁感應法

斷路器處于檢修狀態時，斷路器、兩側地刀、地網及之間的導線組成一個斷路器地網回路。利用交流電流電磁感應的原理，可以在斷路器地網回路內增加一個信號發生器和一個電流采樣器。通過電流采樣器采集信號發生器在斷路器地網回路內電流通斷的時間節點，配合斷路器特性測試發出分合閘脈沖的時間，得出斷路器分合閘時間的測試方法稱之為電磁感應法，接線原理見圖5。圖中的信號發生器和電流采樣器為常見的鉗形電流傳感器。將這兩個鉗形電流表卡入斷路器一端的地刀處，或GIS地刀的接地片處，一個鉗形電流表作為信號發生器，另一個鉗形電流表作為電流采樣器。

圖5 電磁感應法測試時間特性的原理

在斷路器合閘狀態下，信號發生器在斷路器地網回路內感應出一個電流，電流采樣器能夠采樣到這個交變電流，當斷路器特性測試儀發出分閘命令，斷路器地網回路斷開，電流采樣器將無法采集到信號發生器發出的交變電流，就可以監測斷路器地網回路內斷開過程。對測試到的感應電流波形錄播分析，電流波形開始建立的時刻就是斷路器觸頭合閘的時刻，開始消失的時刻就是斷路器觸頭分斷的時刻。配合分、合閘控制回路通電時間，就可以確定斷路器的分、合閘時間[1]。

這種方法在敞開式斷路器現場測試中取得了較好的效果，在部分GIS斷路器上也進行了成功應用，但仍遇到了不少問題：一是變電站內電磁干擾對電磁感應法的影響，如某變電站開關場電磁干擾較多，信號采集器采集的信號質量較差，反復調整信號發生器的輸出功率和采集器的判斷閾值后，最終能夠得出和傳統方法一致的數據，但過程耗費了大量時間；二是鉗形電流表的尺寸與GIS接地片不匹配，由于需要較大的信號感應接收功率，該型儀器的鉗形電流表配置較大，常常造成無法穿進GIS罐體接地端子與接地片之間的空間；三是變電站地網、斷路器兩側地刀直阻對測試的影響，信號發生器電磁感應產生的電流不大，當斷路器地網回路內地網電阻較大或GIS地刀電阻較大時，信號接收器采集的電流更小，加大了判定斷路器分、合閘的時間點界定的難度。

3.3 可變電容法

當斷路器的動觸頭與靜觸頭分離后，斷路器的斷口可以看成是一個可變電容[2]。動靜觸頭分離瞬間，斷口間的電容是無窮大的，而隨著動觸頭與靜觸頭距離逐漸增大，電容值逐漸減小，因此斷路器斷口的電路模型可等效為一個可變電容，這個可變電容與斷路器兩側地刀及相應的斷路器特性測試儀，可構成一個包含電阻和電容的RC回路，如圖6所示。在特定頻率下，這個RC回路可達到諧振狀態，利用RC回路在斷路器分合閘過程中，諧振點破壞及建立時間進行斷路器時間特性測試的方法稱之為可變電容法。

圖6 斷路器分、合閘可變電容模型

可變電容法是在斷路器兩端接入一個頻率可調節的高頻電壓源，當斷路器合閘時，調節電壓源的頻率，使整個RC回路達到并聯諧振的狀態，此時回路中電流值達到最小。當斷路器分閘時，回路中增加了一個很大的斷口電容，諧振條件被破壞，電流值迅速增大。斷路器特性測試儀通過計算分閘脈沖發出時刻到RC回路諧振破壞時刻的時間差，就可以得出斷路器的分閘時間。合閘時間則是儀器向斷路器合閘回路發出合閘脈沖到斷路器合閘的時間差。

為了驗證可變電容法的準確性，分別采用了單端接地方法和雙端接地方法對LWG9-252GIS斷路器進行了分、合閘時間和同期性測試。現場將可變高頻電源接在GIS斷路器兩端地刀的接地片上，可變電容法雙端接地測試數據與傳統單端試驗數據對比見表1。可變電容法的測試數據與傳統單端接地的方法在數據上是吻合的，數據準確可靠，現場操作也比較簡單方便。

表1 可變電容法時間試驗數據與傳統方法對比（單位：ms）

在現場測試時，也發現了可變電容法在個別GIS應用上還存在一些不足。若地網導通電阻（還包含了GIS殼電阻）與斷路器斷口間的電容并聯構成的RC回路中，回路的阻抗R非常小，將使得斷口電容對諧振的破壞不明顯，導致的電流上升不顯著，儀器難以正確判斷分閘瞬間。尤其是GIS制造廠往往設計斷路器兩側地刀通過多個接地片與GIS殼體接地，使得整個RC回路的阻值將進一步降低。

3.4 不同方法間對比

對某省550kV變電站12臺500kV敞開式斷路器、12臺220kV敞開式斷路器、16臺500kV GIS斷路器、12臺220kV GIS斷路器分別運用上述3種新型測試方法和傳統測試方法開展了對比測試，并聯電阻法、電磁感應法和可變電容法在敞開式斷路器上測試均取得了較好的成績，但在GIS上的應用則均有提升空間，相關數據見表2。

表2 3種新型測試方法的應用效果對比

4 利用鐵氧體磁鐵改進可變電容法

對雙端接地條件下GIS斷路器時間特性幾種測試方法的對比發現，可變電容法相較于并聯電阻法和電磁感應法有不小的優勢。現有的問題在于如何有效提高RC回路的高頻信號阻抗。經過對可變電容法原理的思考和多次現場測試后成功利用鐵氧體磁鐵解決了這一問題。

4.1 鐵氧體磁鐵原理及作用

鐵磁材料有外磁場時，磁疇因受外磁場作用而順著外磁場的方向發生歸順性重新排列，在內部形成一個很強的附加磁場。鐵磁材料反復磁化一周所構成的曲線稱之為磁滯回線。磁滯回線中磁感應強度的變化總是落后于磁場強度的變化說明鐵磁材料具有磁滯性，而磁滯回線中磁場強度為零時磁感應強度并不為零的現象說明鐵磁材料具有剩磁性。

鐵氧體磁鐵主要由鐵氧體構成，并利用高導磁性材料滲合一種或多種鎂、鋅、鎳等金屬在1200℃燒聚而成，制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色[3]。相較于普通鐵磁材料，用于抑制高頻信號的鐵氧體磁鐵具有很高的導磁率，影響其性能最重要的參數是導磁率和飽和磁通密度。飽和磁通密度是指用于磁通密度上的電流增加到一個點而鐵芯的磁通卻不增加的現象，鐵芯飽和會導致激磁電流增大，鐵芯發熱。在功率計算模型中，鐵氧體磁環等效電路由電感L和電阻R組成的串聯電路，L和R都是頻率的函數[4]。以A05型鐵氧體為例，其整體阻抗頻率曲線見圖7。當導線穿過這種鐵氧體時，所構成的電感阻抗在形式上隨著頻率的升高而增加[4]。因此，鐵氧體磁鐵能夠將穿過其的高頻信號能量轉化為熱能損耗，起到低通濾波器的作用。生活中鐵氧體常用于各類電子信號傳輸線，制造成圓柱體環狀將信號傳輸線包裹起來，起到濾波抗干擾的作用。

圖7 A05型鐵氧體磁鐵阻抗頻率曲線

4.2 鐵氧體磁鐵在可變電容諧振法上的作用

可變電容諧振法使用了高頻交流電作為測試電源，存在的主要不足是當GIS斷路器地刀通過較多接地片與外殼相連，或GIS殼電阻、地網電阻過小時，斷路器地網RC回路的阻抗過小。為解決這一問題，可在地刀的多個接地片周圍環繞鐵氧體，利用鐵氧體磁環提高其所環繞的導體的阻抗，增加接地回路中的高頻阻抗，提高RC回路的整體阻抗，如圖8所示。

圖8

在可變電容諧振法測試過程中增加鐵氧體磁鐵后，同樣對16臺500kV GIS斷路器、12臺220kV GIS斷路器進行測試，28臺GIS斷路器中有27臺測試成功，應用成功率從85.71%提升至96.43%。一臺220kVGIS斷路器由于接地片與GIS殼體之間幾乎沒有空間，而無法將足夠厚度鐵氧體磁鐵環繞住地刀，因此無法完成測試。

5 結束語

一側接地條件下開展斷路器時間特性測試，不可避免地帶來了感應電傷人等安全隱患，通過積極采用并聯電阻法、電磁感應法和可變電容法等雙端接地條件下斷路器時間特性測試的新方法，測試人員可最大限度減少一側接地的工作環境，對比三種創新測試方法，可變電容法具有更高的應用成功率，配合鐵氧體磁鐵改進措施后，能夠基本取代傳統的測試方法。GIS斷路器采用雙端接地測試方法后，測試人員不需要再拆除地刀的接地片，減少了高處墜落的風險，也有效節省了測試時間。