高壓開關大容量試驗技術研究

河南省高壓電器研究所有限公司 姜珊盼 付二順 郗姍姍 孫 蕊 河南平高電氣股份有限公司 逯 丹

在研究和開發過程中，斷路器試驗用于驗證產品設計的性能和在特定條件下新設計方案的極限，最終具有代表性的設計方案的性能要通過不同型式試驗方式的完成和檢驗得到證明[1]。型式試驗包括關合和開斷試驗、機械和環境試驗、無線電干擾試驗、短時耐受電流和峰值耐受電流試驗、絕緣試驗等。其中關合和開斷試驗是為了驗證高壓開關產品開斷電網中故障電流的能力，驗證其能否在電力系統最嚴酷的工況下可靠工作。現有技術無法通過模擬的方法來考核斷路器的開斷能力，這時候需要大容量試驗來驗證產品性能[2]。

1 大容量試驗常用參量[3]

1.1 短路電流（id）

短路電流分為周期分量、非周期分量兩個指標：其中周期分量是一個穩態分量，非周期分量是一個指數衰減函數曲線，經過一定時間后衰減至零。額定短路開斷電流有兩個關鍵參數：交流分量有效值、直流分量百分數。直流分量大于20%的斷路器大容量性能驗證可以用容量方式五試驗來考核。

1.2 開斷后瞬態恢復電壓（TRV）

開斷后的恢復電壓是考核斷路器性能非常關鍵的一個參數。開斷電流熄弧后，斷路器兩端會產生恢復電壓（TRV）。恢復電壓分為先后兩個部分，瞬態恢復電壓，上升率很高，然后是工頻恢復電壓，可以是正弦波也可以是直流，幅值趨向于電源電壓。對開關電器開斷性能來說，在熄弧過程中起重要作用的恢復電壓是瞬態恢復電壓，但是其大小又與電源電壓有關，成一定的比例關系。

1.3 首開極系數（kpp）

首開極系數是三相開斷中，首開極的工頻恢復電壓和后開極工頻恢復電壓之比。三極斷路器開斷時，三極斷口所開斷的電流大小和恢復電壓的大小與系統是中性點有效接地和非有效接地有關系。但均可得到以首開級為最高，即首開極的開斷條件最為嚴酷。因此，在IEC 和國家標準上三相系統中的恢復電壓就是指首開極上的恢復電壓。

2 高壓開關大容量開斷能力的試驗方法

開斷能力的試驗方法可以分為直接試驗和間接試驗兩類。

直接試驗也可稱為完全試驗，按照斷路器在實際電網中的工況施加電壓、電流。一般在網絡試驗站進行試驗，完全按照電網中斷路器的應用要求來進行。在任何可能的情況下，直接試驗是最好的選擇。

間接試驗則允許以其他方式評價三極斷路器的性能，而不是在可提供全部短路容量的三相回路中進行試驗。常見的間接試驗包括單元試驗、合成試驗。

2.1 單元試驗

單元試驗是以斷路器的部分斷口作為單元進行試驗，從而不用對全部斷口進行試驗。對于雙斷口或者多斷口斷路器，多個斷口結構一致的情況下可以對單一的斷口進行試驗，適當地考慮電壓不均勻系數，試驗電壓可以降低，顯著地降低了試驗時的容量要求。

2.2 合成試驗

合成試驗是以低電壓、大電流和高電壓、小電流兩個電源，先后加在斷路器上來滿足開斷過程中大電流滅弧后高電壓的要求而進行的試驗[4]。現在大部分72.5kV 及以上的斷路器采用的都是合成試驗方法。合成試驗電流源可以采用網絡試驗站或者發電機。電壓源可以采用電容、電抗、電阻振蕩的方法，可以產生很高的恢復電壓。

3 大容量網絡試驗站

大容量網絡試驗站可以直接將斷路器放入電網中進行關合與開斷試驗，人為地造成短路故障，在短時間內提供相當于電力系統短路時那樣大的電流驗證其能力。

本文設計的回路如圖1所示，T0為被試斷路器。將被試斷路器放在大容量網絡試驗站回路中，短路變壓器可以提供不同電壓等級的試驗電壓，通過電抗器用來調節試驗電流，可以得到合適的電壓電流直接對斷路器進行考核。

圖1 網絡試驗站回路原理圖

4 大容量合成試驗回路

隨著電網電壓等級的提高，斷路器的短路容量逐步變大，直接試驗已經不能滿足要求。現在進行高電壓等級的斷路器試驗時，合成試驗采用得非常廣泛，試驗的等價性也得到公認[5]。

合成試驗采用通用回路-威爾試驗回路（電流引入法）。合成回路的電流源一般采用網絡，可以采用短路發電機，電壓源采用振蕩回路，其適用于基本短路試驗方式T100、T60、T30、T10、OP1、OP2、單相接地故障或異相接地故障，試驗特性有兩參數和四參數兩種工況。

5 大容量試驗實例

以下利用合成試驗方法進行一個145kV-40kA斷路器T60試驗。145kV 斷路器T60的預期TRV（斷路器開斷短路電流后的瞬態恢復電壓）參數見表1，瞬態恢復電壓峰值達到272kV。

表1 T60試驗預期TRV 參數

試品是一個145kV-40kA 氣體絕緣金屬封閉開關設備，進行基本短路T60試驗，單相試驗。圖2為用仿真軟件計算的預期TRV 波形，符合四參數預期恢復電壓要求。

圖2 仿真軟件模擬斷路器開斷后TRV

因為試品額定電壓高，開斷容量大。采用的是合成試驗回路。本次采用的是合成電流引入回路，試驗采集到的重合閘試驗波形如圖3所示。圖3從上到下采集到的波形信息分別為：ITOcl（合閘線圈電流）、ITOop（分閘線圈電流）、Ur（斷路器開斷后的恢復電壓）、Ucs（電源電壓）、ITO（試品電流）、Ics（電流源電流）、Isyn（合成引入電流）、Tr（試品行程曲線－重合閘操作）。

圖3 145kV 斷路器T60重合閘試驗

斷路器合分試驗獲取的波形和數據如圖4所示，考核的是斷路器在中燃弧時間的開斷性能。包含Ur（斷路器開斷后的恢復電壓）、ITO（試品電流）等關鍵考核參數。

圖4 145kV 斷路器T60合分試驗

不同于直接試驗，為保證試驗的等價性，需要對合成試驗參數中的一些參數進行規定。第一，電流源電壓至少為電弧電壓的10倍。本次試驗電流源電壓是12.3kV。第二，合成試驗引入電流的過零點斜率應該和直接試驗中過零點斜率一致，才能保證與在電網中考慮斷路器一樣的等價性。24kA 直接試驗電流過零點斜率是10.7A/us，本次合成試驗過零點斜率是10.8A/us，在標準要求范圍內。第三，電壓源電流的振蕩頻率一般為工頻的5～20倍，即250～1000Hz，以500Hz 為宜。電壓源和電流源相互作用時間在200～500us 之間，圖3中電壓源和電流源相互作用時間460us 滿足要求。