探討高壓斷路器容性電流開合試驗方法

趙新陽 邢文奇 李陽 付二順 王獻才

【摘 要】高壓斷路器對于整個電網(wǎng)的正常運行具有重要的安全保障作用，高壓斷路器的容性電流的開合試驗作為高壓斷路器的重要試驗項目，在試驗的過程中，其對于壓升、輸電回路以及實驗的技術(shù)和配置有著較高的要求。故而，試驗方法是否恰當對于整個高壓斷路器容性電流開合的試驗能否成功具有重要的意義。本研究基于大容量的容性電流開合試驗所需的電源，根據(jù)標準和工程建設的實際情況，探討了高壓斷路器容性電流開合試驗方法。

【關(guān)鍵詞】高壓斷路器；容性電流開合；試驗方法

中圖分類號： TM561 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0049-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.020

【Abstract】High-voltage circuit breaker plays an important role in the normal operation of the whole power grid. As an important test item of high-voltage circuit breaker， the opening and closing test of capacitive current of high-voltage circuit breaker has higher requirements for voltage rise， transmission circuit and experimental technology and configuration. Therefore， whether the test method is appropriate or not is of great significance to the success of the test of the capacitive current switching of the whole HV circuit breaker. Based on the power supply for large capacity capacitive current switching test， according to the standard and the actual situation of Engineering construction， this paper discusses the capacitive current switching test method of high voltage circuit breaker.

【Key words】High voltage circuit breakers； Capacitive current switching； Test methods

0 前言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對于能源的需求也大幅度提高，高壓交流斷路器開合容性電流成為電力系統(tǒng)一種常見的運行操作。盡管線路充電電流不大，但隨著電線的長度不斷加長，切合該電流會引起嚴重的過電壓，在停運線路上就會感應出較大的感應電流，出現(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量的高頻暫態(tài)現(xiàn)象。具有容性特征的電流的開合試驗極有實踐價值。

1 試驗簡介

電網(wǎng)在工作中涉及電容電流的情況有：余弦電容器組和空載輸電線路。其中，容性電流的開合不僅對于開斷電壓的提升有更為嚴格的要求，而且在絕緣技術(shù)、電能電場、測量設備等方面的要求也與遇到其他電容電流的工況存在的要求有很大的差異。在高壓斷路器的容性電流開合的過程中，斷路器容易在發(fā)生重擊穿時在回路中產(chǎn)生短路電流。所以，在進行高壓斷路器的容性電流開合試驗的時候，電壓回路電源需由電流源和升壓變組成的具有相同相位關(guān)系的電源提供。這在一定程度上提高了進行高壓斷路器容性電流開合試驗的難度，也使得討論該試驗的試驗方法更具現(xiàn)實意義。要想討論試驗方法，就必須對容性電流有一定的了解。容性電流則屬于電流相位超前電壓的情況，也就是我們生產(chǎn)生活中使用的用于補償電網(wǎng)功率因數(shù)的異步電機所產(chǎn)生的電流。隨著輸電電壓的提高，輸電線路的延長，外加由于制造超、特高壓輸變電設備的技術(shù)和經(jīng)濟問題，在開合容性負載電流時，電壓和電流在暫態(tài)現(xiàn)象的情況下，受到重擊穿后的的高壓斷路器可能會產(chǎn)生嚴重的過電壓和涌流，對電網(wǎng)造成威脅。

2 容性電流開合試驗的兩種試驗方法

在斷口兩側(cè)的直流恢復電壓引起弧后重擊穿時，重擊穿產(chǎn)生的過電壓會損壞開關(guān)本身及其他電力設備。因此，容性電流開合試驗對于高壓斷路器非常重要。容性電流開合試驗主要包括合成試驗法和直接試驗法兩種。

2.1 合成試驗法簡介

實驗室進行容性電流開合試驗通常采用直接試驗或者合成試驗兩種實驗方法。合成試驗法適用于直接試驗要求與實驗室的短路功率及容性負荷不相符合的情況。合成試驗法將電流和電壓回路的電源實行串聯(lián)或者并聯(lián)的方式，在試驗品的兩端分別施加反極性電壓，并通過電流回路的感性特點加以補償。合成試驗法也存在一定的缺陷，這種試驗方法較為復雜，對于試驗人員的控制水平要求較高，而且試驗的失敗率較高，僅作為直接試驗法的替代方法存在。

2.2 直接試驗法簡介

由于特高壓斷路器容性電流試驗所需要的試驗電源容量較大，直接試驗法在進行的過程中容易受到電源容量的限制。研究人員發(fā)現(xiàn)，超（特）高壓斷路器在系統(tǒng)和實驗室中開合容性電流時，容易出現(xiàn)各種問題。直接試驗法的限制條件在于其對實驗室的技術(shù)和配備要求較高，所要求達到的升壓也較高，但其試驗的可行性和實際效用也遠遠高于合成試驗法。

3 幾種典型容性電流開合合成試驗回路的比較

在容性電流開合試驗過程中，斷路器往往需要有乃容性電流并恢復電壓峰值的性能。這對容性電流的回路也提出了一定的要求。如果從斷路器、旁路斷路器、火花間隙的要素進行劃分，可以將典型容性電流開合合成試驗回路分為串、并聯(lián)模式回路、電流引入回路、感性電流回路與 LC 振蕩回路等回路。并聯(lián)模式的優(yōu)點是簡單方便，可靠性高，且這類回路的衰減能夠滿足試驗的要求，但它的經(jīng)濟性較差。電流引入回路是指電壓在工頻電流零點之前接至被試斷路器，并在電流零區(qū)提供電流流經(jīng)受試斷路器的電流的一種合成試驗回路，它恢復電壓交流和直流的衰減非常小，甚至可以忽略。這種回路可以保證有效地考核被試斷路器。LC電路，也稱諧振電路，是包含一個電感和一個電容連接在一起的電路?？刂品绞胶唵?，缺點是恢復電壓的過程較長。串聯(lián)回路的缺點是可靠性低，僅適用于普通負荷，其優(yōu)點是簡單方便，投資少，符合實際工況，恢復電壓的衰減滿足標準要求。通過幾種典型容性電流開合合成試驗回路的比較我們不難發(fā)現(xiàn)，與電流開斷有關(guān)的破壞性放電，不會導致工頻電流的恢復，或者在容性電流開斷的情況下不會導致主負載回路中產(chǎn)生電流。我們應針對特高壓產(chǎn)品的試驗情況，結(jié)合現(xiàn)有設備靈活實現(xiàn)試驗回路需求，豐富試驗設備、開發(fā)新型的試驗回路。建議增加附加試驗來考核斷路器在整個恢復電壓持續(xù)階段的性能。

4 一種新型特高壓斷路器容性電流開合試驗回路

4.1 試驗原理及回路參數(shù)

交流特高壓設備容量試驗與常規(guī)試驗相比較，不僅開斷電壓更高、短路電流更大，同時在絕緣水平、電弧能量、電場分布、測量需求等方面也存在很大差異。根據(jù)各研究院開展特高壓容量試驗的情況我們可以看到，被試特高壓設備、試驗依據(jù)及所實施的容量試驗項目，在超（特）高壓斷路器開合容性電流時，可能在恢復電壓持續(xù)多個半波之后發(fā)生重擊穿。據(jù)此，本研究所提出的新型特高壓斷路器容性電流開合試驗回路的試驗原理則不同于以往的試驗情況。試驗開始之前，輔助斷路器和試品斷路器始終處于閉合狀態(tài)，短路電流流過試品斷路器。當短路電流下降至0前時，間隙電源觸發(fā)，流過試品斷路器的電流是主電流和引入電流之和。在短路電流達到自然的電流零點時，短路電流斷開，引入電流繼續(xù)流過輔助斷路器和試品斷路器。在電流零點時，輔助斷路器和試品斷路器切除，電流仍舊導通。主電容原件在通過間隙電流時構(gòu)成振蕩回路。當其達到峰值時，間隙電流觸發(fā)，振蕩電流流過分支，在達到零點時間隙電流截止，電容上的剩余電壓和振蕩電壓之和形成了第二階段即將發(fā)生的TRV。電流引入的兩段恢復電壓組成作用于試品斷路器兩端的四參數(shù)恢復電壓。本試驗的的回路參數(shù)則是根據(jù)開斷電弧特性的麥依爾方程，建立起的參數(shù)化的PSCAD電弧電阻模式。其發(fā)電機輸出的電壓為15kV，容量6300MV·A；而電流源變壓器變比為14kV/21kV，容量為300MV·A。

4.2 開斷過程仿真計算

容性電流分閘操作的仿真結(jié)果，電流源變壓器高壓端輸出電壓為18kV，試品開斷電流為1900A，試品恢復電壓為800kV，電壓源變壓器輸出電壓為420kV。

4.3 優(yōu)缺點比較

優(yōu)點在于其恢復電壓加在試品兩端，試品開斷后的電壓負荷與實際工況等價；而其缺點則是試品兩端的恢復電壓為直流加交流，不是實際的試品一端加直流，一端加交流。

5 結(jié)語

目前超（特）高壓斷路器已經(jīng)在國內(nèi)大量應用，針對特高壓產(chǎn)品的試驗和對UHV輸電系統(tǒng)進行充分的理論分析來看，從較低電壓等級斷路器發(fā)展而來的標準和試驗方法在一些情況下已經(jīng)不太適合實踐發(fā)展的需求，開發(fā)適用于特高壓產(chǎn)品的試驗回路，改進并升級測試系統(tǒng)，勢在必行。而經(jīng)過實驗室進行多臺高壓、超（特）高壓斷路器容性電流開合試驗的試驗驗證，目前的高壓斷路器容性電流開合試驗獲得了一定的試驗經(jīng)驗。

【參考文獻】

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