万能式断路器短路试验选相合闸研究

天津电气科学研究院有限公司 戴宇飞 张晓戈 杜然珑 王 静

万能式断路器作为低压电力系统重要构件，用于保护线路免受短路、过载以及欠电压等故障。为避免线路和设备受到影响、能够安全运行，在投入使用前均需要进行试验测试性能，达到合格标准后才能投入运行。短路保护特性试验是其中十分重要的一项，需要万能式断路器满足短路保护的要求。

1 万能式断路器短路试验分析

1.1 短路试验电路

在万能式断路器性能测试中，主要进行电流不平衡保护、接地保护、断相保护以及短路保护几项试验，上述实验要求电流激励条件下开展，以准确判断断路器性能。短路试验使用电路和电流保护一致，当断路器保护功能误差控制在10%以内判定为合格。测试系统要从小至大进行电流性能测试，要求输出电流处于0～7000A之内。断路器的结构为三级变换式，单相调压器具备电动工作状态，系统可通过闭环控制对输出电流加以调整。电动调压器无法进行连续调压，电压间隔最小值受到总匝数决定，在低压变压器和电动调节器中间安装自耦变压器可满足灵活调压的要求，提高精度标准。测试电流是三相低压变压器产生的电流，为避免合闸后电路形成非周期性直流电流，在试验电路中安装选相合闸，选相合闸装置核心部件为可控硅控制器。

1.2 选相合闸

自耦调压器。双绕组变压器主要采取T型模型，为了电压和负载电流的便捷计算，使用一次侧漏电感以及漏电电阻，变化等值电路可反映出变比变压器。励磁支路等效电感和电阻和串联支路负载电感和电阻等均可从变压器说明上获得数据。由于变压器励磁阻抗远大于漏阻抗且并联电流值小，按照并联励磁支路作为变压器电源侧计算，构成等值电路，按照T型模型前移励磁支路[1]。普通变压器绕组存在磁路耦合，自耦调压器绕组在磁路耦合基础上和电路有密切关联，自耦调压器电路和参数和变压器计算规则相同。因此按照普通变压器模型进行自耦调压器的分析可行，但无论是电动式还是多抽头式，实际运行过程中动端位置处于不断变化过程中，等值模型中参数也处于不断变化中。

最佳合闸相角。将短路试验电路按照变压器模型替换，可得到图1所示电路模型：其中RT表示变压器一次侧、二次侧等效漏电阻，LT表示一次侧、二次侧等效漏电感。α1～α3表示自耦调压器动端位置和变压器的变比。要想消除非周期性直流分量，需让功率因数角和负载功率因数角相同，当功率因数角和激励源起始相位保持一致情况下合闸，和以负载功率因数角作为判断合闸时刻的标准结论一致。变化模型中阻抗可知，负载为输入电压激励源的等效阻抗。功率因数角和断路器铜排以及等效阻抗关联密切，还和自耦调压器、自耦变压器的等效阻抗关系密切。

图1 短路试验电路模型

2 短路保护特性试验

短路试验主要验证瞬时和延时保护动作，按照断路器产品质量检验规定，延时保护要求断路器达到定时脱扣，电流整定值为0.4～15倍断路器额定电流，定时为0.1/0.2/0.3/0.4s四个档位，脱扣时间以及电流控制在10%以内。断路器要求瞬时保护动作时效性达到要求，能满足定时脱扣要求，如断路器壳架电流为整定值1/20～1倍时，定时要控制在50ms以内，脱扣定时和电流控制在10%之内[2]。

选相合闸智能解决消除非周期性直流分量，但还需考虑给断路器增加激励电流。以往短路试验通过电动调压设定额定电流条件，测定空载电压数据，并计算出脱扣电流和空载电压，但变压器和调压器均不是线性元件，计算输出电流无法达到目标。改用神经网络控制，可利用补偿系数自动调整电流，提高电流精度。但断路器之间存在差异，需经过训练才能保证电压补偿系数的准确性，因此并不满足大量生产的需要。因此可对A、B、C单相分别测量短路保护动作，按照规定考核电流，短路试验包括O和CO测试两部分，分别进行脱扣时间以及脱扣电流的考核。

按照测试项目和规格设定整定值，开启短路瞬时或延时保护功能，将其他保护功能关闭。选相合闸装置可任意角度合闸，从电动调压器最低端缓慢进行调节，提高输出电流至断路器完成脱扣试验。在断路器启动脱扣动作，要固定调压器的具体位置，对短路电流、激励电压以及输出电流的相位差进行持续测量，对比电流整定值及输出电流，判断是否处于10%误差范围之内[3]。将选相合闸装置关闭，进行合闸试品。测量合闸相角合闸，要一同对合闸时刻进行测量，截止脱扣时间，对比电流整定值差异，将误差控制在10%内，判断短路保护时间是否达到合格标准。

3 案例分析

某低压万能断路器作为生产厂重要控制设备，目前运营24年，出现多次跳闸，不明原因，该设备后备件稀缺，维修难度高。

3.1 故障检修

分析故障原因，先拆下电子脱扣器，分解结构进行检查，除集成电路外还存在辅助连接点，使用插针对控制回路加以控制。通过对图纸的翻阅，该控制器控制分断存在两种方式：过流信号输出，对脱扣器分断进行控制，达到过流保护的目的；由过流电信号对S16、S17接点进行控制，脱扣器动作可作为后备动作、后于主保护动作。分闸由脱扣器控制。分励脱扣器电压控制在额定电压70～110%之间，遇到不同工作条件，要将分励脱扣器快速脱扣，达到断路器断开目的。过流脱扣器主要在过载和短路条件下断开。一旦电流整定值超过负载电流，断路器会受到过流脱扣器作用进行脱扣动作。

连接断路器和脱扣器，当外施电压降低至35～70%额定电压时，欠压脱扣器和断路器连接应启动动作，及时完成脱扣动作。处于过载工况下，S16节点负责断开脱扣器，对电流整定值的控制由过载控制器负责，控制器通过电信号来控制S16，欠压线圈失电，脱扣器断开。在短路情况下，S17辅助接点断开脱扣器控制，电流整定值由电流控制器负责控制，通过电信号来控制接点动作，线圈得电，将K12常闭，断开脱扣器。

3.2 断路器试验

通过大电流整定试验进行测试，改进断路器运行稳定性。先对各部件进行验证。在断路器上进行分励脱扣器试验，当断路器无电流，检查额定电压条件下脱扣器是否可将断路器断开；对欠压脱扣器进行验证。当欠压脱扣器电压降低时，缓慢降低额定电压，确保欠电压断路器保护动作断开断路器；进行动作极限试验，将额定电压降低至35%以下，验证断路器合闸。当外施电压超过85%额定电压，保证断路器合闸。将断路器处于闭合状态，在主电路无电流条件下连通110%电压，验证脱扣器是否耐受，不会对断路器其他功能受到损害。

3.2.1 短路保护特性试验

通电条件下断路器控制器可以延时，根据反时限电路动作，短路情况下不会出现瞬动保护。定时任意测试时间可根据短延时整定时长、整定电流、过流值进行计算。根据负载和上下级要求选择整定值。当短路保护动作特性达到合格标准后进行保护特性试验。在原本特性试验基础上连接中继检测回路，检查接点动作状态[4]。在电子控制器中找到X3插件，找到S17引出插针。连接中间继电器进行回路测试，期间继电器维持额定电压。S17保持常开状态，继电器保持常开状态，和接点并联后控制回路可自动形成自锁电路。S17接点动作，继电器通电后接点自锁常开，让继电器保持动作锁定。通电检查K1继电器是否动作。验证电子脱扣器保护动作。若整定值分断且K1不动作，证实短路主保护以及后备保护。断路器整定值分断且K1动作，则短路主保护正常运行，后背保护出现故障。

3.2.2 过载保护特性试验

试验要在通电状态下运行。电子控制器具有延时功能，根据反时限动作，根据额定电流、整定电流、整定时间，过载延时可达12s。过载时电子控制器通过2种方式分断。进行后备保护特性试验，连接中继检测回路，验证S16接点动作。在控制器插件上找出S16插针。连接继电器测试回路，期间继电器维持额定电压。保持S16常开，将接点和K1接点并联，控制回路构成自锁电路。S16动作时，继电器接点保持常开状态，让继电器动作锁定。通过2倍电流试验判断继电器的状态。对比脱扣器动作验证结果的一致性。若整定值分断且K1不动作，证实短路主保护以及后备保护。断路器整定值分断且K1动作，则短路主保护正常运行，后背保护出现故障。

3.2.3 反时限不脱口特性试验

若电流整定值升高至1.05倍，不脱扣电流是指满足脱扣器承载范围但不会触发动作的电流。断路器试验过程中合闸时间至少在2h以上，未触发脱扣动作。使用控制器插件找到插针，连接中间继电器对回路实施检测，测试过程中保证K1保持额定电压。将S16、S17连接接点动作时，继电器通电后保持K1接点自锁可以让继电器保持动作锁定。通电1.05倍电流检查继电器是否动作，验证电子脱扣器保护动作。

根据上述试验对断路器故障进行判定：若S16和S17接点良好接触，可正常推动电动试验，检测控制回路利用电路板测试，控制器电路若被击穿，可更换电容后重新开始进行整定试验，判断试验动作是否合格。

综上，通过对短路保护特性试验的具体分析，评估断路器性能和排查故障问题，相比于推算脱扣电流整定值，分析非周期性直流分量以及合闸相角，考虑脱扣电流值以及动作时间能获得更精准的试验电流，提高试验结果的准确性，评估断路器性能。短路保护特性试验具有较高的准确性和可行性，具有较高的应用价值。