基于双端接地的高压断路器机械特性校验方法研究

2018-12-21王啸峰

机电信息 2018年36期

兰炜王啸峰

（广东电网有限责任公司珠海供电局，广东珠海519000）

0 引言

断路器是电力系统中非常重要的设备之一，其主要功能是关合负荷电流、故障电流、工作电流等一系列的大电流。断路器通过和二次继保及潮流分析配合，可以及时切断故障，完成运行方式的转换，保证整个电力系统的稳定，保证供电可靠性。断路器具有灭弧功能，根据灭弧的功能，又可以分为六氟化硫断路器、真空断路器、油断路器等[1]。

为了保证断路器的可靠运行，断路器的设计、试验以及运维后期都需要依照有关规程完成。断路器投运前，需要完成动热稳定校验、电压等级匹配校验、关合电流大小校验等一系列校验工作，还需要经绝缘、介质损耗等一系列电气试验和机械试验均无误，方可将断路器投入运行。在投入运行以后，由于断路器需要经常分合大电流，因此设备功能的稳定性就显得尤为重要。根据广东电网规范化检修的要求，为了能够保证断路器的正常运行，需要在不同的时间段针对不同的开关进行一定的机械试验。对于母联断路器此类大电流断路器需要3年完成一次机械动作特性试验，以保证断路器的可靠运行；对于出线类断路器则需要6年进行一次机械动作特性试验[2]。试验周期看似较长，但由于断路器在电力系统中运用极广，故而其机械特性试验工作量极大，对于工作班组来说，一年要做400台以上断路器开关动作特性试验。在如此大的工作量之下，对于机械特性试验方案进行合理改进，就显得尤为重要，也有利于提高机械特性试验的效率和准确性。

传统的测试方法需要将一次接线连接到断路器端口的两侧，因此要求断路器端口至少有一侧处于开路状态才能进行。部分组合电器开关由于断路器两侧无引出点，需要母线停电并进行解锁操作，用相邻出线间隔进行试验，其中会涉及停电困难、增加安全风险等问题。而部分断路器为了满足测试条件至少一侧处于开路状态，需要进行高空解线工作，增加了工作量和安全风险[3]。

近年来，为解决无法在双端接地的情况下完成机械特性动作试验的问题，不少文章针对该问题提出了一些基础研究及基本方法，以达到基于双端接地也可以完成机械动作特性试验的目的。

基于双端接地的机械动作特性试验方案，不仅可以保证两端的接地隔离开关均能够保持合位，保证工作的安全性，还能够减少运行人员拉开一侧接地隔离开关所耗费的时间，提高进行机械动作特性试验的效率。本文针对以上提出的内容，对基于双端接地的开关特性试验方案进行讨论，并结合理论，论证其可行性。

1 两端接地机械特性组成单元

高压断路器机械特性试验主要是用于测量断路器的分合闸时间、弹跳次数、三相不同期以及分合闸的速度，因此需要具备一定的元器件方可完成以上数据的检测[4]。

首先是开关特性仪（图1），为了实现人性化拟人操作，需要配置一套人为操作系统和控制面板，主要是为了方便机械特性仪使用人对特性试验的试验电压、测量方法进行合理的设置，可以根据需要进行自我调节，提高特性仪的灵活性。再来，开关特性仪还应配置接线端口，接线端口分为一次接线端和二次接线端。二次接线端是为开关的分合闸二次回路提供电能，方便特性仪对断路器进行分合闸指令的操作。一次接线端则是接于断路器触头附近，方便特性仪器对断路器的分合闸时间、弹跳次数、三相不同期以及分合闸速度进行测量。同样地，特性仪器为了配合这些端子，还应该配备对应端子的接线，用以匹配数据的检测[5]。检测完数据，为了方便测量者进行直观观察和数据保存，往往会配置一个微型打印机，对机械试验的数据波形进行纸质材料的打印，用以储存数据。为了进行合理的检测，保证数据的准确性、连续性以及可靠性[6]，特性仪器还需要配备一系列电路板、传感器等装置。一般的特性仪器以微处理器的单片机控制系统为主，其主要包括单片机系统、单片机外部配合系统、对应使用的传感器种类（如需进行测速，会在外部匹配有测速的传感器）、与之匹配的电路系统和电路板、时钟电路、串行接口电路等不同的电子装备。

图1 特性仪基本原理框图

特性仪通过软件和硬件的匹配，能够使操作人更为人性化地测量断路器的各项数据，并对数据进行准确地记录。

2 两端接地机械动作特性试验技术原理

双端接地开关的测试一直困扰着检修人员，为了能够在做机械动作特性试验时，在开关一次回路中形成闭合回路，常常需要拉开一侧的接地隔离开关，尤其是GIS开关，由于其多方面接地的原因，检修人员不得不一一将其断开才能进行测试，这样会给检修人员带来不便，同时检修人员需要在一侧未接地的情况下工作，这样安全风险性大，不利于安全生产工作的开展[4]。

为了能够解决此类问题，必须对现有特性仪的检测原理进行一定的改进或者优化，使其能够在双端接地的情况下完成开关机械特性试验工作（图2）[7]。

图2 特性仪一次接线图

2.1 外接恒流源法

由于开关特性仪器的检测主要依靠对电流进行测量，而拉开一侧接地隔离开关就是为了方便形成闭合回路，以便进行机械特性测量。为了实现以上效果，可以在需要拉开隔离开关的一侧装设电容或者恒定电流源等，利用接地隔离开关合闸、分闸状态下地阻的变化，测出地阻变化前后对应的电压u1、u2，并利用以下公式算出电压差量：

利用公式差量和电压前后的变化，对断路器的机械特性进行合理测量。该方法虽然原理简单，容易施行，但是由于目前市面上的电流源要达到可测范围的电流，造价较高，经济性较差。

2.2 感应电流测试法

断路器作为电力系统中的重要设备，在合闸状态时，往往由于周边设备及电力系统中谐波分量影响，会有很多高频感应电流，在双端接地情况下，更会在环路中形成高频感应电流。已知磁感应强度B会随着频率f变大而变大，所以可以通过感应电流的计算公式得到：

式中，I为感应电流；B为磁场强度；L为切割导体长度；V为切割速度；R为电阻。

通过研制对应高频感应电流的测量装置，可以对该高频感应电流进行测量。随后在断路器分闸状态下，此高频电流由于环路的切断便会消失无法形成，此时高频感应电流测量装置也需要能够检测出此变化。通过测量装置测量不同状态下的电流分量，送至处理中心，便可测量出断路器机械特性的有关数据。

该方法有很好的隔离效果，工作情况稳定，抗干扰能力极强，对于工频电流更是具备极高的抗干扰能力。但是该方法目前的电力测试装备研制较少，而且由于集中处理器的要求，对所测的电流精度要求也比较高，实现起来难度较大。其次，在含有电抗器的一次回路中，则无法利用高频电流这一测量方法进行检测，所以该方法有一定的局限性，适用范围不大。

2.3 电感测试电流法

此种方法也是利用测量装置对高频电流进行检测。该方法利用电磁感应原理，加上两个电感至断路器侧和两个接地隔离开关之间的地阻之间。两侧的电感值也根据测量所需，有所不同。为了能够测量出准确的高频电流法，地阻侧的电感值会远远小于断路器侧的电感值。

电感测试方法能够很有效地避开接地环流以及其他分量的干扰影响，而且对应测试装备造价较为低廉，有较强的可行性。

3 基于双端接地的机械特性试验方案

采用传统的机械特性测试仪测试时，需将一次接线连接到断路器端口的两侧[8]，因此要求断路器端口至少有一侧处于开路状态才能进行。部分组合电器开关由于断路器两侧无引出点，需要母线停电并进行解锁操作，用相邻出线间隔进行试验，其中会涉及停电困难、增加安全风险等问题。而部分断路器为了满足测试条件至少一侧处于开路状态，需要进行高空解线工作，增加了工作量和安全风险。故现有的断路器机械特性测试仪无法满足现场需求[9]。

针对以上存在的问题，本文提出了一种基于双端接地的机械特性试验综合解决方案（图3）。开关特性测试仪主机由中央控制处理单元、外扩展单元、存储单元、打印单元、按键单元和显示单元、大屏彩色液晶显示，25～250 V可调电源、运放、同步检测单元、AD模数转换器、断口状态测量单元、断口接口、控制电源输出接口、25～250 V电源输出控制开关、合分闸输出切换开关等组成。

图3 双端接地的机械特性试验方案框图

无线双端接地传感器，其能够准确测量断路器不同状态下的电流分量，并且包含传输测量量的发射装置。测速传感器有测量角速度的功能，并能将角速度准确转换成直线速度，然后准确传送。

利用电磁感应原理，双端传感器将断路器、电缆、地网和两个接地开关组成一个通流体，利用通流体的形成与否来判断断路器的分合位置，反之亦可通过操作断路器实现分合通流体的过程。开关特性测试仪专用双端接地时开关分合闸时间测试设备由三部分组成：高频脉冲信号激励源、高频脉冲信号接收器、无线射频接收及信号处理器。利用高频脉冲信号激励源发出的不低于20 kHz的高频信号，产生高频感应电流来判断分合闸的位置状态，并且利用此分量对接收器和处理器进行连接，从而详细地分析测量输出数据。

本测试仪由于安装了无线双端接地传感器，角速度/直线速度转换附件，通过多路传感器优化了双端接地开关的机械特性检测信号，并且采用一套完整的数据采集处理和完全自动化控制技术，保证了整个测量过程自动完成，操作方便简单。另外还设置了打印单元，通过打印单元可将测试结果进行纸质打印。