萬(wàn)德春，陳輝，葛國(guó)偉，程顯，陳里昂，白青林

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211000；2.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

高壓交流斷路器在電力系統(tǒng)中起著保護(hù)和控制的重要作用，系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，要求斷路器能夠快速切斷故障來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-2]。依靠理論分析和仿真計(jì)算還不能夠準(zhǔn)確評(píng)估斷路器的開(kāi)斷短路故障和開(kāi)合負(fù)載的能力。因此，需要對(duì)斷路器進(jìn)行開(kāi)斷試驗(yàn)研究，合成試驗(yàn)回路既能滿足等價(jià)性要求又可以進(jìn)行斷路器的研究性試驗(yàn)[3]，所以合成試驗(yàn)方法已經(jīng)在國(guó)際上得到了廣泛的認(rèn)可[4]。為了使合成試驗(yàn)回路電流回路提供的短路電流以及電壓回路提供的瞬態(tài)恢復(fù)電壓(transient recovery voltage，TRV)滿足GB 1984—2003《高壓交流斷路器》和GB/T 4473—2008《高壓交流斷路器的合成試驗(yàn)》的要求，需要對(duì)合成試驗(yàn)回路的投切參數(shù)以及TRV波形進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和仿真研究[5-6]。

采用電網(wǎng)電源或者短路發(fā)電機(jī)的直接實(shí)驗(yàn)法會(huì)受到容量限制[7]，并且十分容易損壞斷路器，合成試驗(yàn)已經(jīng)成為一種檢測(cè)高壓斷路器開(kāi)斷性能的重要措施。在大幅度提高試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，合成試驗(yàn)方法更加安全、便捷、有效，同時(shí)也保證了等價(jià)性[8]。此外，合成回路法靈活性較強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，TRV的調(diào)節(jié)范圍更加廣泛，能更加準(zhǔn)確地判斷高壓斷路器的開(kāi)斷能力，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[9]。本文介紹合成試驗(yàn)的原理，計(jì)算斷路器合成試驗(yàn)回路不同電壓等級(jí)和不同試驗(yàn)方式下的參數(shù)；利用MATLAB/Simulink搭建合成回路仿真模型，首先對(duì)斷路器電流源和電壓源回路的電流電壓仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證參數(shù)的準(zhǔn)確性，隨后對(duì)不同開(kāi)斷情況下波形結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，最后在MATLAB/GUI模塊上設(shè)計(jì)回路的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算模塊以供實(shí)驗(yàn)室使用。

1 合成試驗(yàn)回路介紹和工作原理分析

1.1 合成試驗(yàn)回路簡(jiǎn)述

斷路器研究的主要方法除了理論分析、仿真計(jì)算之外，試驗(yàn)研究也十分重要。一臺(tái)斷路器產(chǎn)品的全套型式試驗(yàn)將花費(fèi)數(shù)月時(shí)間，費(fèi)用數(shù)百萬(wàn)元。而研究性試驗(yàn)的試驗(yàn)次數(shù)更多，試驗(yàn)參數(shù)更加復(fù)雜，無(wú)法用工業(yè)產(chǎn)品試驗(yàn)的方法完成[10]。合成試驗(yàn)既能保證開(kāi)斷測(cè)試的等價(jià)性，又能經(jīng)濟(jì)可靠地對(duì)斷路器進(jìn)行開(kāi)斷能力測(cè)試[11]。合成試驗(yàn)電壓和電流不需要由同一個(gè)電源供電，所以將其解耦，使電流由大電流低壓源供電，電壓由高電壓低電流源供電[12]。除了斷路器的開(kāi)斷試驗(yàn)，合成試驗(yàn)方式還可以進(jìn)行斷路器關(guān)合試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)70年代初對(duì)合成關(guān)合試驗(yàn)的具體要求進(jìn)行了規(guī)定，并于20世紀(jì)90年代將斷路器短路電流關(guān)合試驗(yàn)列為斷路器型式試驗(yàn)必須檢驗(yàn)項(xiàng)目之一[13]。GB 1984—2003《交流高壓斷路器》中關(guān)于斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)的重要規(guī)定有：

a)合成試驗(yàn)回路的短路功率因數(shù)的平均值不應(yīng)超過(guò)0.15。

b)斷路器應(yīng)在額定頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，頻率容差±10%。

c)滿足不同試驗(yàn)條件下國(guó)標(biāo)要求的TRV頻率和幅值大小，具體規(guī)定值參考GB 1984—2003。

d)對(duì)于一般對(duì)稱開(kāi)斷的情況，直流分量不應(yīng)大于開(kāi)斷電流中交變分量峰值的20%。

合成回路控制系統(tǒng)主要由繼電器系統(tǒng)控制或單片機(jī)控制，這2套方案均有其自身難以克服的缺點(diǎn)，如：繼電器系統(tǒng)動(dòng)作分散性大，屬于硬連接，更改困難，出現(xiàn)故障不易查找；單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力差，容易死機(jī)。目前設(shè)計(jì)應(yīng)用的PLC控制系統(tǒng)可避免以上不足，大大提高控制精度。目前，國(guó)內(nèi)其他高校中的合成試驗(yàn)回路均在更新?lián)Q代階段，本實(shí)驗(yàn)室也將完成改造，將更加穩(wěn)定、更加精確的控制系統(tǒng)投入合成試驗(yàn)。合成回路試驗(yàn)控制系統(tǒng)的研制與進(jìn)一步完善，對(duì)于高校的理論研究和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的斷路器性能的檢測(cè)等實(shí)際應(yīng)用都有重要的價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)合成試驗(yàn)的種類主要有3種：①發(fā)電機(jī)提供短路電流，由電容放電的振蕩回路作為電壓源；②電網(wǎng)提供短路電流，由電容放電的振蕩回路作為電壓源；③電流源和電壓源都是由電容放電的振蕩回路提供[14-15]。國(guó)內(nèi)高校的合成回路主要采用電容器充電后對(duì)電感放電的方式產(chǎn)生試驗(yàn)電流，一般有電流源和電壓源2套LC振蕩回路。電流源采用比較低的電壓等級(jí)產(chǎn)生工頻大電流，電壓源用于在滅弧室電流過(guò)零后提供暫態(tài)恢復(fù)電壓[16]。當(dāng)僅研究燃弧過(guò)程時(shí)，可以單獨(dú)使用電流源進(jìn)行試驗(yàn)，零點(diǎn)電流之后包括熱擊穿和介質(zhì)擊穿；當(dāng)需要研究介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程時(shí)，可以靈活地調(diào)整和施加暫態(tài)恢復(fù)電壓[17]。

1.2 合成試驗(yàn)回路工作原理分析

本文設(shè)計(jì)的高壓合成試驗(yàn)回路采用電流引入法，其原理如圖1所示。回路主要設(shè)備包括電流源電容Ci、電流源電抗Li、合閘斷路器CB、輔助斷路器AB、被試斷路器TB、電壓源電容Cu、電壓源電抗Lu、球隙SG、調(diào)頻電容C0、調(diào)頻電阻R0以及晶閘管D1和電阻R1組成的引弧支路。電流引入法是在短路電流零點(diǎn)之前將電壓源投入，觸發(fā)點(diǎn)火球隙。在電流零點(diǎn)之前，通過(guò)被試斷路器的電流是由電流源回路產(chǎn)生的短路電流和電壓源回路提供的引入電流的疊加，這2個(gè)電流頻率不同。

圖1 合成試驗(yàn)回路原理圖

在做真空斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)時(shí)，在合閘斷路器CB兩端并聯(lián)1個(gè)由D1和R1組成的引弧支路，只要將CB在引弧時(shí)接通，就可以保證被試真空滅弧室在大電流時(shí)燃弧大于半個(gè)周波[18-20]。引弧電流與試驗(yàn)電流波形如圖2所示，其中，i1為電流源回路電流，i2為電壓源回路引入電流。試驗(yàn)時(shí)的動(dòng)作程序如下：首先CB、D1處于斷開(kāi)位置，預(yù)先對(duì)Ci、Lu按規(guī)定充好電，在某個(gè)時(shí)間(t1)先接通引弧支路的開(kāi)關(guān)D1，電容Ci通過(guò)Li、D1、R1、AB、TB組成的回路放電，選擇合適的電阻R1，將放電電流控制在100 A左右，這時(shí)放電電流近似為直流，在t2時(shí)刻使AB和TB的觸頭分開(kāi)，在被試觸頭間引燃直流電弧，在t3時(shí)刻接通CB，此時(shí)電容Ci通過(guò)Li、CB、AB、TB組成放電回路，這時(shí)的電流為試驗(yàn)電流，呈正弦波形流經(jīng)被試斷路器。在電流過(guò)零前(t4時(shí)刻，通常為電流過(guò)零前300 μs)投入電壓源，然后AB在電流零點(diǎn)時(shí)熄滅，并在開(kāi)關(guān)的觸頭間加上規(guī)定的TRV，完成1次試驗(yàn)。

圖2 引弧電流與試驗(yàn)電流波形

2 電流源回路理論分析與參數(shù)選取

2.1 電流源回路理論分析

電流源回路電容器充完電后，對(duì)電感放電，形成短路電流，其電路為無(wú)源二階RLC電路。電流源回路滿足式(1)，所以電路工作在欠阻尼狀態(tài)，輸出振蕩波。根據(jù)電路理論，回路輸出電流i1(t)如式(2)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

因?yàn)閒1=50 Hz恒定，即LiCi為恒定值，因此Im滿足式(6)、(7)。

Im∝UCi,

(6)

(7)

(8)

(9)

由式(9)可知，Im受電流源回路中電阻的影響較大，所以要控制回路中的總電阻，尤其是電感中的等效電阻。

2.2 電流源回路電容電壓的選取

式(4)是假定斷路器電弧電壓Ua=0時(shí)，由Ci放電產(chǎn)生的預(yù)期短路電流ip的表達(dá)式。實(shí)際上電弧電壓會(huì)對(duì)輸出電流產(chǎn)生畸變作用[5]，對(duì)于第1個(gè)燃弧半波，畸變電流的相對(duì)值如式(10)、(11)所示。

(10)

(11)

(12)

(13)

當(dāng)Ua=100 V時(shí)，Um≥2 974 V；當(dāng)Ua=150 V時(shí)，Um≥4 464 V。一般真空電弧電壓為50 V左右，因此選取Um≥3 000 V，本次合成回路電流源電容器充電電壓選取5 000 V。

2.3 電流源回路參數(shù)選取

電流源回路振蕩放電時(shí)，忽略回路電阻影響后，交流電流的有效值

(14)

根據(jù)式(14)可知，電流源回路提供的短路電流的幅值和頻率只取決于電路中電容Ci和電抗Li的大小以及電容Ci的充電電壓U的大小。考慮到回路的衰減系數(shù)k，電流源頻率f1取工頻50 Hz，根據(jù)LC串聯(lián)電路諧振頻率，電流源電容Ci和電感Li的表達(dá)式分別如式(15)、(16)所示：

(15)

(16)

將設(shè)計(jì)的電流源回路參數(shù)I1=50 kA、U=5 kV帶入式(15)、(16)得：Ci=50 mF，Li=0.202 6 mH。本合成試驗(yàn)回路可以進(jìn)行短路電流在50 kA及以下的T60(表示開(kāi)斷60%的額定短路電流，下同)、T100的單相短路合成試驗(yàn)，電容器擬選用50臺(tái)型號(hào)HZMJ5kV-1000μF脈沖電容器，單臺(tái)電容器額定電壓為5 kV，電容值為1 000 μF，將電容器分成2組，每組25臺(tái)。電抗器擬選用2臺(tái)型號(hào)為SY-6kV-2000A-0.4052 mH的電抗器疊放，2臺(tái)電抗器并聯(lián)電感值為0.202 6 mH，單臺(tái)電抗器動(dòng)穩(wěn)定電流為40 kA(動(dòng)穩(wěn)定電流持續(xù)時(shí)間4 s)，最高工作電壓10 kV，絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)電壓50 kV，頻率50 Hz。以50 kA短路試驗(yàn)為例，對(duì)電流源相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)要求短路電流持續(xù)第3個(gè)半波時(shí)衰減不超過(guò)10%。不同電流等級(jí)及試驗(yàn)方式下并入的電容器組數(shù)和電容器的充電電壓見(jiàn)表1。

表1 不同電流等級(jí)下的電流源回路電容參數(shù)

3 電壓源及調(diào)頻回路參數(shù)計(jì)算

3.1 電壓源回路引入電流的頻率

電壓源回路放電過(guò)程與電流源回路基本一致，考慮到合成試驗(yàn)回路的等價(jià)性，保證短路電流過(guò)零前后電弧的物理過(guò)程相同，在投入電壓源后，被試斷路器中電壓源電流i2過(guò)零時(shí)的變化率應(yīng)與規(guī)定的預(yù)期電流源電流i1過(guò)零時(shí)的電流下降率相等[21]。根據(jù)這一條件，i1和i2可由式(17)、(18)表述。

(17)

(18)

式(17)、(18)中：ω1為電流源頻率；ω2為電壓源引入電流的頻率；I1m為電流源峰值電流；I2m為電壓源峰值電流。因?yàn)橐骾2、i1過(guò)零時(shí)的變化率相等，即sin(ω1t)=sin(ω2t+φ)=0，cos(ω1t)=cos(ω2t+φ)=1，那么，i1和i2滿足式(19)、(20)。

(19)

(20)

根據(jù)式(20)可得電流源頻率f1與電壓源頻率f2關(guān)系，如式(21)所示。從電壓源能量考慮，若f2太小，則I2m較大，使電容器容量太大，設(shè)備投資太大；若f2太大，則I2m較小，電容器容量太小，不能抵消回路電流衰減而引起過(guò)度的電流畸變。因此根據(jù)GB/T 4473—2008中4.2.1的要求，引入電流的頻率范圍為250 ～1 000 Hz，一般取500 Hz。

(21)

3.2 電壓源回路參數(shù)選取

根據(jù)不同的電壓和電流等級(jí)計(jì)算出電壓源回路電容值和電感值，根據(jù)電容值選擇串并聯(lián)的電容器，根據(jù)電感值設(shè)計(jì)電抗器的抽頭大小。根據(jù)GB 1984—2003中4.102.2的要求，短路開(kāi)斷試驗(yàn)的TRV的峰值Uc滿足式(22)。電壓源回路電容器的電容值和電抗器的電感值計(jì)算公式如式(23)、(24)所示。

(22)

(23)

(24)

式(22)—(24)中：Km為振幅系數(shù)，取1.4；Kpp為首開(kāi)極系數(shù)，取1.5；Ur為被試斷路器額定電壓；I1為電流源輸出電流有效值；UCu為電容器充電電壓。

根據(jù)式(23)、(24)分別計(jì)算出不同電壓等級(jí)和電流等級(jí)的電壓源回路電容值和電抗器抽頭[22-23]的電感值大小見(jiàn)表2，所用電容器為脈沖電容器，額定電壓為60 kV，電容值為9 μF。為了兼顧GB1984—2003中4.102.2的要求和經(jīng)濟(jì)性，本文設(shè)計(jì)電壓源回路電容器選用9臺(tái)脈沖電容器。電抗器最高瞬時(shí)耐受電壓為224 kV(直流)，最大峰值電流為6 kA(持續(xù)時(shí)間1 ms)。

表2 不同電壓等級(jí)的電壓源參數(shù)

3.3 調(diào)頻參數(shù)的選取

在合成試驗(yàn)中，選取正確的調(diào)頻參數(shù)獲得滿足GB 1984—2003要求的TRV波形是試驗(yàn)成功的重點(diǎn)[24]。在斷路器開(kāi)斷過(guò)程中TRV的波形可以表示為單頻或者多頻TRV波形，與之對(duì)應(yīng)的可以用二參數(shù)法或者四參數(shù)法來(lái)表征數(shù)值。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)電壓雖然最高可以為110 kV，但是短路電流較小，TRV波形更近似于單頻振蕩電壓波形，故適用于二參數(shù)法確定的2條線段所組成的包絡(luò)線來(lái)表示。調(diào)頻電容C0、調(diào)頻電阻R0計(jì)算公式如下：

(25)

R0=-4f0Luln(Km-1).

(26)

式(25)—(26)中f0為恢復(fù)電壓的固有頻率。各電壓等級(jí)的調(diào)頻參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同電壓等級(jí)的調(diào)頻回路參數(shù)

調(diào)頻回路電容值隨電壓電流等級(jí)變化而變化，本設(shè)計(jì)選用10臺(tái)150 kV/0.5 μF(額定電壓150 kV，電容值0.5 μF，下同)和24臺(tái)100 kV/0.01 μF電容器進(jìn)行串并聯(lián)組合，得出不同等級(jí)下對(duì)應(yīng)的調(diào)頻電容值，調(diào)頻電阻選用滑動(dòng)變阻器，最大阻值為200 Ω。

4 MATLAB仿真驗(yàn)證與參數(shù)計(jì)算界面化設(shè)計(jì)

4.1 仿真驗(yàn)證

根據(jù)2.3節(jié)、3.2節(jié)和3.3節(jié)對(duì)高壓合成試驗(yàn)回路各個(gè)部分進(jìn)行的參數(shù)計(jì)算，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，驗(yàn)證參數(shù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。合成試驗(yàn)回路仿真電路如圖3所示，此仿真電路圖采用的算法為ode15s(stiff/NDF)，仿真時(shí)間設(shè)定為0.05 s，控制斷路器開(kāi)斷的模塊為Timer模塊[25]。初始狀態(tài)時(shí)，所有斷路器均處于閉合狀態(tài)，在t=0.05 s時(shí)，Timer模塊控制輔助斷路器使其開(kāi)斷。

圖3 合成試驗(yàn)回路仿真電路原理

本文設(shè)計(jì)的合成試驗(yàn)回路可以進(jìn)行電壓等級(jí)126 kV及以下、電流等級(jí)50 kA及以下的T100和T60試驗(yàn)方式的開(kāi)斷試驗(yàn)。126 kV/50 kA試驗(yàn)方式T100、72.5 kV/31.5 kA試驗(yàn)方式T100、40.5 kV/31.5 kA試驗(yàn)方式T60情況下的仿真試驗(yàn)波形如圖4所示。

圖4 仿真波形

由圖4可知，本文設(shè)計(jì)的合成試驗(yàn)回路參數(shù)滿足GB/T 4473—2008、GB 1984—2003的要求。根據(jù)仿真驗(yàn)證結(jié)果可以得出不同電壓電流等級(jí)下TRV的峰值以及峰值出現(xiàn)的時(shí)間，見(jiàn)表4。

4.2 參數(shù)計(jì)算界面化設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，便于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)調(diào)節(jié)參數(shù)，在MATLAB/GUI工作板設(shè)計(jì)一個(gè)程序以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輸出各回路參數(shù)，并與前面計(jì)算的結(jié)果對(duì)比，進(jìn)行驗(yàn)證。參數(shù)自動(dòng)計(jì)算面板各部分流程如圖5所示，圖5中給出了各部分面板的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

參數(shù)自動(dòng)計(jì)算面板設(shè)計(jì)界面如圖6所示，圖中額定短路電流、電壓等級(jí)、試驗(yàn)方式、恢復(fù)電壓固有頻率和振幅系數(shù)這5個(gè)參數(shù)為輸入?yún)?shù)，電容充電電壓、250/500/1 000 Hz頻率下的電壓源電容、調(diào)頻電容和調(diào)頻電阻這4個(gè)參數(shù)為輸出參數(shù)，點(diǎn)擊每個(gè)輸出參數(shù)下的開(kāi)始按鈕即可輸出對(duì)應(yīng)電壓電流等級(jí)和試驗(yàn)方式下的參數(shù)。圖7為參數(shù)自動(dòng)計(jì)算面板的計(jì)算結(jié)果實(shí)例，將2.3節(jié)、3.2節(jié)和3.3節(jié)計(jì)算結(jié)果與參數(shù)自動(dòng)計(jì)算面板所輸出的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果均準(zhǔn)確無(wú)誤。本參數(shù)自動(dòng)計(jì)算面板實(shí)現(xiàn)了清晰準(zhǔn)確地調(diào)用不同等級(jí)和實(shí)驗(yàn)方式下的電壓源和電流源各參數(shù)。

圖7 126 kV/50 kA T100參數(shù)計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文介紹了合成試驗(yàn)回路的研究背景，簡(jiǎn)述了合成回路的工作原理。對(duì)電流源回路進(jìn)行理論分析和參數(shù)選取以及計(jì)算電壓源回路和調(diào)頻回路的參數(shù)，仿真得到短路電流和TRV波形的幅值和上升率均滿足要求。主要結(jié)論如下：

a)實(shí)現(xiàn)126 kV/50 kA合成回路理論計(jì)算，并得到各個(gè)部件參數(shù)。電流源總電容器值為50 mF，電抗器值為0.202 6 mH，電壓源利用9臺(tái)60 kV/9 μF電容器進(jìn)行不同形式的串并聯(lián)得到不同電壓等級(jí)下的電容值，電抗器總電感量為16.54 mH。

b)搭建了仿真電路模型，仿真結(jié)果滿足GB/T 4473—2008、GB 1984—2003的要求，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)合成試驗(yàn)回路的有效性。

c)利用MATLAB/GUI模塊設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算面板，可以高效地進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)室有較高的使用價(jià)值，為合成試驗(yàn)回路參數(shù)調(diào)整和實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù)。