探讨高压断路器容性电流开合试验方法

赵新阳 邢文奇 李阳 付二顺 王献才

【摘 要】高压断路器对于整个电网的正常运行具有重要的安全保障作用，高压断路器的容性电流的开合试验作为高压断路器的重要试验项目，在试验的过程中，其对于压升、输电回路以及实验的技术和配置有着较高的要求。故而，试验方法是否恰当对于整个高压断路器容性电流开合的试验能否成功具有重要的意义。本研究基于大容量的容性电流开合试验所需的电源，根据标准和工程建设的实际情况，探讨了高压断路器容性电流开合试验方法。

【关键词】高压断路器；容性电流开合；试验方法

中图分类号： TM561 文献标识码： A 文章编号： 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

随着中国经济的快速发展，对于能源的需求也大幅度提高，高压交流断路器开合容性电流成为电力系统一种常见的运行操作。尽管线路充电电流不大，但随着电线的长度不断加长，切合该电流会引起严重的过电压，在停运线路上就会感应出较大的感应电流，出现电网电能质量的高频暂态现象。具有容性特征的电流的开合试验极有实践价值。

1 试验简介

电网在工作中涉及电容电流的情况有：余弦电容器组和空载输电线路。其中，容性电流的开合不仅对于开断电压的提升有更为严格的要求，而且在绝缘技术、电能电场、测量设备等方面的要求也与遇到其他电容电流的工况存在的要求有很大的差异。在高压断路器的容性电流开合的过程中，断路器容易在发生重击穿时在回路中产生短路电流。所以，在进行高压断路器的容性电流开合试验的时候，电压回路电源需由电流源和升压变组成的具有相同相位关系的电源提供。这在一定程度上提高了进行高压断路器容性电流开合试验的难度，也使得讨论该试验的试验方法更具现实意义。要想讨论试验方法，就必须对容性电流有一定的了解。容性电流则属于电流相位超前电压的情况，也就是我们生产生活中使用的用于补偿电网功率因数的异步电机所产生的电流。随着输电电压的提高，输电线路的延长，外加由于制造超、特高压输变电设备的技术和经济问题，在开合容性负载电流时，电压和电流在暂态现象的情况下，受到重击穿后的的高压断路器可能会产生严重的过电压和涌流，对电网造成威胁。

2 容性电流开合试验的两种试验方法

在断口两侧的直流恢复电压引起弧后重击穿时，重击穿产生的过电压会损坏开关本身及其他电力设备。因此，容性电流开合试验对于高压断路器非常重要。容性电流开合试验主要包括合成试验法和直接试验法两种。

2.1 合成试验法简介

实验室进行容性电流开合试验通常采用直接试验或者合成试验两种实验方法。合成试验法适用于直接试验要求与实验室的短路功率及容性负荷不相符合的情况。合成试验法将电流和电压回路的电源实行串联或者并联的方式，在试验品的两端分别施加反极性电压，并通过电流回路的感性特点加以补偿。合成试验法也存在一定的缺陷，这种试验方法较为复杂，对于试验人员的控制水平要求较高，而且试验的失败率较高，仅作为直接试验法的替代方法存在。

2.2 直接试验法简介

由于特高压断路器容性电流试验所需要的试验电源容量较大，直接试验法在进行的过程中容易受到电源容量的限制。研究人员发现，超（特）高压断路器在系统和实验室中开合容性电流时，容易出现各种问题。直接试验法的限制条件在于其对实验室的技术和配备要求较高，所要求达到的升压也较高，但其试验的可行性和实际效用也远远高于合成试验法。

3 几种典型容性电流开合合成试验回路的比较

在容性电流开合试验过程中，断路器往往需要有乃容性电流并恢复电压峰值的性能。这对容性电流的回路也提出了一定的要求。如果從断路器、旁路断路器、火花间隙的要素进行划分，可以将典型容性电流开合合成试验回路分为串、并联模式回路、电流引入回路、感性电流回路与 LC 振荡回路等回路。并联模式的优点是简单方便，可靠性高，且这类回路的衰减能够满足试验的要求，但它的经济性较差。电流引入回路是指电压在工频电流零点之前接至被试断路器，并在电流零区提供电流流经受试断路器的电流的一种合成试验回路，它恢复电压交流和直流的衰减非常小，甚至可以忽略。这种回路可以保证有效地考核被试断路器。LC电路，也称谐振电路，是包含一个电感和一个电容连接在一起的电路。控制方式简单，缺点是恢复电压的过程较长。串联回路的缺点是可靠性低，仅适用于普通负荷，其优点是简单方便，投资少，符合实际工况，恢复电压的衰减满足标准要求。通过几种典型容性电流开合合成试验回路的比较我们不难发现，与电流开断有关的破坏性放电，不会导致工频电流的恢复，或者在容性电流开断的情况下不会导致主负载回路中产生电流。我们应针对特高压产品的试验情况，结合现有设备灵活实现试验回路需求，丰富试验设备、开发新型的试验回路。建议增加附加试验来考核断路器在整个恢复电压持续阶段的性能。

4 一种新型特高压断路器容性电流开合试验回路

4.1 试验原理及回路参数

交流特高压设备容量试验与常规试验相比较，不仅开断电压更高、短路电流更大，同时在绝缘水平、电弧能量、电场分布、测量需求等方面也存在很大差异。根据各研究院开展特高压容量试验的情况我们可以看到，被试特高压设备、试验依据及所实施的容量试验项目，在超（特）高压断路器开合容性电流时，可能在恢复电压持续多个半波之后发生重击穿。据此，本研究所提出的新型特高压断路器容性电流开合试验回路的试验原理则不同于以往的试验情况。试验开始之前，辅助断路器和试品断路器始终处于闭合状态，短路电流流过试品断路器。当短路电流下降至0前时，间隙电源触发，流过试品断路器的电流是主电流和引入电流之和。在短路电流达到自然的电流零点时，短路电流断开，引入电流继续流过辅助断路器和试品断路器。在电流零点时，辅助断路器和试品断路器切除，电流仍旧导通。主电容原件在通过间隙电流时构成振荡回路。当其达到峰值时，间隙电流触发，振荡电流流过分支，在达到零点时间隙电流截止，电容上的剩余电压和振荡电压之和形成了第二阶段即将发生的TRV。电流引入的两段恢复电压组成作用于试品断路器两端的四参数恢复电压。本试验的的回路参数则是根据开断电弧特性的麦依尔方程，建立起的参数化的PSCAD电弧电阻模式。其发电机输出的電压为15kV，容量6300MV·A；而电流源变压器变比为14kV/21kV，容量为300MV·A。

4.2 开断过程仿真计算

容性电流分闸操作的仿真结果，电流源变压器高压端输出电压为18kV，试品开断电流为1900A，试品恢复电压为800kV，电压源变压器输出电压为420kV。

4.3 优缺点比较

优点在于其恢复电压加在试品两端，试品开断后的电压负荷与实际工况等价；而其缺点则是试品两端的恢复电压为直流加交流，不是实际的试品一端加直流，一端加交流。

5 结语

目前超（特）高压断路器已经在国内大量应用，针对特高压产品的试验和对UHV输电系统进行充分的理论分析来看，从较低电压等级断路器发展而来的标准和试验方法在一些情况下已经不太适合实践发展的需求，开发适用于特高压产品的试验回路，改进并升级测试系统，势在必行。而经过实验室进行多台高压、超（特）高压断路器容性电流开合试验的试验验证，目前的高压断路器容性电流开合试验获得了一定的试验经验。

【参考文献】

[1]刘朴，刘平，黄实，李刚.特高压断路器容性电流开合合成试验方法研究[J].高压电器，2014，50（05）：87-92+98.

[2]黄实，姚斯立，张海峰，李鹏，杜炜，刘浩军，程茵，那虎.特高压断路器容性电流开合试验方法研究[J].高压电器，2007（01）：32-34+39.