基于选相控制器的断路器在线监测系统研究

曾星宏，程延远，邓劲东，李海涛，刘东超

（1.中国南方电网超高压输电公司南宁局，广西 南宁530004；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京211102）

0 引言

断路器作为电力系统中重要的控制和保护设备［1］，可靠动作能够有效避免电力系统故障范围扩大，对于电力系统的安全稳定运行起到了十分重要的作用。为了实时监视断路器的可靠动作能力，及时识别断路器故障状态，研究发明了很多断路器在线监测系统，如断路器机械特性在线监测系统、断路器局放在线监测系统等［2-21］。

选相控制器（Switching Control Device，CSD）作为断路器的智能一次辅助设备，可以提高断路器的控制精度，通过调整断路器控制策略减小断路器分合操作对系统的暂态冲击［22-30］。选相控制器通过控制断路器分合时间点，达到系统按固定相位电气关合或熄灭电弧的目的，控制算法能够满足按固定相位出口的要求，但实际应用的效果取决于断路器的机械动作时间稳定性，为了提高选相控制器的控制效果，通常需要增加SF6气压和机构油压等状态传感器，用于当SF6气压或机构油压变化时，对断路器机械动作时间进行补偿。

本系统借助于选相控制器控制断路器分合相位是建立在对断路器机械动作时间和绝缘特性稳定性的内在要求上，通过选相控制器操作后得到的动作时间与预测的断路器动作时间进行比较，能够有效地对断路器进行状态评估，从而达到对断路器进行在线监测的目标。本系统将选相控制和在线监测两个不同专业有效的结合在一起，为提升断路器智能化水平提供了思路。

1 断路器在线监测原理

断路器在线监测系统作为对断路器可靠动作能力进行评估的系统，系统实现方式与断路器的结构，特别是动作过程密切相关。如断路器机械特性在线监测是基于断路器动作过程中的特征量进行判断的，因此了解断路器的动作过程是十分必要的。

1.1 断路器动作过程

断路器作为电力系统的一部分，使用机械分合闸方式来对电气量进行操作，断路器分合闸分为机械分合闸时间点和电气回路分合时间点两部分，具体的断路器分合闸操作过程如图1和图2所示。

图1 断路器分闸过程示意图Fig.1 Breaker opening process diagram

图2 断路器合闸过程示意图Fig.2 Breaker closing process diagram

断路器可简单看由静触头和动触头组成，断路器分合闸过程示意图如图1和图2所示。图1中动静触头之间的位置关系代表3个不同时刻，分别为分闸线圈带电时刻T1、动静触头分离时刻T2（电弧起燃时刻）和电弧熄灭时刻T3。因此可以引出断路器分闸的几个基本概念。分闸时间（opening time，Topn）：指处于合闸位置的断路器，从分闸线圈带电时刻T1到动静触头分离时刻T2的时间间隔；燃弧时间（arcing time，Tarcing）：指从电弧起燃时刻，即动静触头分离时刻T2到电弧熄灭时刻T3的时间间隔；开断时间（break time，Tbrk）：指从分闸线圈带电时刻T1到电弧熄灭时刻T3的时间间隔。

同样的，图2中通过动静触头的位置关系代表的3个不同时刻可以得到断路器合闸过程的3 个时间概念。合闸时间（closing time，Tcls）：指处于分闸位置的断路器，从合闸线圈带电时刻T1到动静触头接触时刻T3的时间间隔；预击穿时间（pre-arcing time，Tpre）：合闸操作期间，断路器起流时刻T2 到动静触头接触时刻T3的时间间隔；关合时间（make time，Tmake）：处于分闸位置的断路器，从合闸线圈带电时刻T1到断路器起流时刻T2的时间间隔。

1.2 断路器在线监测类型

根据上文1.1节所述，断路器特征时间分为：1）代表机械特性的合闸时间和分闸时间；2）代表绝缘特性的燃弧时间和预击穿时间。相应的断路器在线监测类型根据监测对象不同分为：1）监测机械特性的断路器机械特性在线监测；2）监测绝缘特性的断路器电寿命在线监测和断路器局放在线监测。

2012年高压设备可靠性国际调查报告显示，导致高压SF6断路器无法运行的严重故障中，由机械故障和电气控制回路故障导致的占83%［1］，因此断路器机械特性在线监测一直是断路器在线监测领域研究的重点和热点。

1）断路器机械特性在线监测主要有分合闸线圈电流在线监测、触头行程及速度在线监测以及机械振动和声音在线监测，可以是其中一种监测参量的方法来监测机械特性，也可以是组合的方式来监测，最终影响到断路器动作过程的特征量是合闸时间和分闸时间。

2）断路器电寿命在线监测主要是通过监测断路器分合闸时刻的电流和分断次数来评估断路器电磨损的程度，主要是断路器的触头磨损程度，常用的方法有开合电流加权累计法和累计电弧能量法；断路器局放在线监测主要针对的是SF6断路器，通常使用的方法是超高频检测法来定位局部放电位置。触头磨损和局部放电都会影响断路器的绝缘特性，从而导致燃弧时间和预击穿时间的变化。

断路器机械特性在线监测关注的是断路器动作时的合闸时间和分闸时间是否在正常范围内，而断路器电寿命在线监测和断路器局放在线监测关注的是断路器动作时的燃弧时间和预击穿时间。

2 选相控制原理

断路器随机关合不可避免会在投切电力一次设备时产生过电压、涌流等电磁暂态效应，影响设备的绝缘、寿命，甚至诱发继电保护误动作。例如感性负荷（空载变压器、并联电抗器等）合闸时，将会产生很大的涌流，引起瞬间电压降低；容性负荷（空载输电线路、电容器组等）合闸时的过电压和涌流，涌流电动力可能损坏零件甚至造成绝缘损伤等。随机分闸也可能造成断路器的重燃或重击穿等现象，从而引发重击穿过电压。通过配置选相控制装置可以控制断路器在特定相位完成投切，进而改善合闸暂态过程涌流和过电压冲击；通过选相分闸提高断路器开断能力，避免重击穿现象及由此引发的过电压。

断路器选相控制实现的关键就是选相装置收到系统合闸命令后，根据断路器预期合闸时间引入一个合适的“等待时间”，待“等待时间”到达后（等待时间根据断路器预期合闸时间等计算）将合闸线圈导通，断路器开始动作，假如断路器的真实合闸时间和我们预期合闸时间相同，则将合闸于目标相位处（分闸控制机理类似）。

2.1 选相合闸控制

以断路器单相机构为例，假设目标合闸相位为系统侧电压峰值（目标合闸相位90°），选相合闸控制流程如图3所示，图中Tclstarg=5 ms（频率为50 Hz）。

图3 选相合闸控制流程图Fig.3 Controlled closing process diagram

由流程图3可知选相合闸控制需要等待的时间为

式（1）中，N为整数；T是基准电压的周期，基准频率为50 Hz 时，周期为20 ms；Tclstarg是合闸目标角度折算时间，如图3所示目标角度为90°基准频率为50 Hz时，折算时间为5 ms；Tcls是断路器机构的合闸时间；Tclslag是合闸回路延时，一般选相控制器使用IGBT 直驱，合闸回路认为无延时，Tclslag=0 ms；Tpre是断路器预击穿时间，由断路器合闸过程的绝缘强度下降率（rate-ofdecay of dielectric strength，RDDS）和合闸时刻的相位角共同决定。

由式（1）可知，当合闸目标相位确定时，选相合闸需要等待的时间由合闸时间Tcls和预击穿时间Tpre决定，选相合闸控制能否关合在目标相位也由合闸时间Tcls和预击穿时间Tpre是否与预期一致决定。

2.2 选相分闸控制

以断路器单相机构为例，假设目标分闸相位为系统侧电压峰值（目标合闸相位90°），选相分闸控制流程如图4所示，图中Topntarg=5 ms（频率为50 Hz）。

由流程图4可知选相合闸控制需要等待的时间为

式（2）中，N为整数；T是基准电压的周期，基准频率为50 Hz 时，周期为20 ms；Topntarg是分闸目标角度折算时间，如图所示目标角度为90°基准频率为50 Hz 时，折算时间为5 ms；Topn是断路器机构的分闸时间；Topnlag是分闸回路延时，同样使用IGBT 直驱，分闸回路认为无延时，Topnlag=0 ms；Tarcing是断路器燃弧时间，由RRDS断路器分闸过程的绝缘强度上升率（rate-of-rise of dielectric strength，RRDS）决定。

图4 选相分闸控制流程图Fig.4 Controlled opening process diagram

由式（2）可知，当分闸目标相位确定时，选相分闸需要等待的时间由分闸时间Topn和燃弧时间Tarcing决定，选相分闸控制能否分断在目标相位也由分闸时间Topn和燃弧时间Tarcing是否与预期一致决定。

2.3 特征时间估计

前面选相分合闸控制原理均提到，选相控制能否分合在目标相位主要是由断路器机械动作时间（合闸时间Tcls和分闸时间Topn）和断路器绝缘强度（预击穿时间Tpre和燃弧时间Tarcing）是否与预期一致所决定的。因此在选相控制中，断路器特征时间的估计，特别是断路器特征时间会随外部参量明显变化时，就显得十分必要。

断路器所处的环境温度、操作回路的电压、油压储能水平（弹簧机构除外）、SF6气压、间歇时间等因素均会对断路器的分合闸时间造成一定影响，选相分合闸装置会根据断路器分合闸时间受外部参量影响的大小决定是否需要对该种参量进行补偿。

3 在线监测系统构成

选相控制器精准控制需要通过电气时间，即开断时间Tbrk和关合时间Tm来确定控制命令发出时刻。其中开断时间Tbrk和关合时间Tmake满足公式（3）。

而开断时间Tbrk和关合时间Tmake对应于断路器的电气特征量，可以通过选相控制器采集断路器动作时断路器两端的电气突变量得到电气关合点或者是电气分断点。而分闸时间Topn和合闸时间Tcls作为断路器机械动作特性时间可以通过测量断路器辅助接点动作时间得到，从而可以得到断路器的燃弧时间Tarcing和预击穿时间Tpre，燃弧时间表征断路器绝缘恢复水平，预击穿时间表征断路器绝缘下降水平，该特征分量能够表征断路器绝缘情况。开断时间和关合时间是选相控制器关注点，而断路器机械动作特性时间和断路器绝缘情况是在线监测关注点，二者通过公式（3）完美的统一起来。

如图5 所示，本文提供一种基于选相控制器的断路器在线监测系统，包括断路器状态采集模块、断路器控制模块、断路器机械动作时间和电气关合分断时间计算模块以及断路器在线监测告警模块。状态采集模块可采集参考电压、反馈电流、断路器辅助触点开关量、断路器SF6气压和机构油压等状态量，根据预先通过大量样本数据得到的断路器机械动作时间与断路器SF6气压和机构油压的关系计算得到断路器机械动作时间预测值，该数据对于适用于选相分合闸的断路器厂家均有提供。

图5 基于选相控制器的在线监测系统Fig.5 On-line monitoring system based on CSD

然后根据预测值通过断路器控制模块对断路器进行选相控制，根据采集到的反馈电流可以计算得到开断时间Tbrk和关合时间Tmake，同时通过断路器辅助触点开关量可以计算得到断路器机械动作特性时间，即分闸时间Topn和合闸时间Tcls。由断路器机械动作时间的分布特性可以有效估计断路器机构是否发生卡涩等机械故障，而通过公式（3）可以计算出燃弧时间Tarcing和预击穿时间Tpre，通过燃弧时间和预击穿时间可以评估断路器内部的绝缘水平是否存在下降问题，从而达到了断路器在线监测机械故障和绝缘故障的功能。

4 结语

本文介绍了断路器在线监测的原理和选相控制的原理，断路器在线监测通过不同的方法来监测断路器机械特性和绝缘性能，实质上是评估断路器动作时间是否稳定，这与选相控制器精准控制的内在要求是一致的。提出了基于选相控制器的断路器在线监测系统，能够很好的利用两者的内在联系，结合之后的系统不仅集成度更高，对于断路器的智能化控制和在线监测程度也得到了提升，为选相控制和在线监测专业融合提供了技术路线。

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