高压交流断路器短路关合和开断试验的分析研究

郭成功

（甘肃电器科学研究院/甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃 天水 741018）

1 引言

经过几代人坚持不懈的奋斗和努力，我国已经建成世界上规模最大的全国互联互通的电网，拥有世界上最高电压等级的±800 kV 直流输电和1000 kV 特高压交流输电线路，并且迄今没有发生过像美国东部、欧洲电网曾发生过的大面积停电事故。2015 年，我国发电装机容量达到15.06 亿kW，居世界第一，拥有世界上最多的单机100 万kW 以上的超超临界发电机组。中国的电力事业起步虽然比西方国家晚了近80 年，然而现在却成为了名副其实的世界电力大国，这是值得中国人民自豪的骄人业绩，也是中国电力战线上广大职工一代代努力的结果。

高压交流断路器又称高压开关，具有足够的开断能力和灭弧能力。它不仅可以有效切断与闭合高压电路的空载电流和负载电流，还可以在电力系统发生故障时，与保护装置、自动装置相配合，迅速地切除故障电流，以减小停电范围，防止事故的进一步扩大，对于保证电力系统的安全运行具有极其重要的意义。高压交流断路器经历了油断路器、压缩空气断路器、真空断路器和SF6 断路器的发展史。而SF6 断路器在20 世纪70 年代初就被广泛应用，它是以六氟化硫为灭弧介质，这种断路器的开断能力较强。在电力系统的稳定和安全运行中，高压交流断路器发挥着重要的作用，在经济效益和社会效益方面也具有非常重要的意义[1]。

随着高压交流输电线路电压等级的不断提升，相应地在运行过程中发生故障的风险和故障解决的难度提高。当电力系统在运行过程中突然发生如突发短路、异相接地、近区故障、失步故障等情况时，就需要故障临近位置的高压断路器与配套装置进行故障切断，防止故障影响的进一步扩大。本研究论述的主要内容是当电力系统在发生突发短路故障时，高压交流断路器需要能有效切断故障电流。而考核高压交流断路器这一能力的试验方法就是高压交流断路器短路关合和开断试验。高压交流断路器短路关合和开断试验既是断路器产品研发、设计以及性能提升的必要手段，也是对其性能的最终考核验证。目前，我国整体正处于由高速发展转变为高质量发展的阶段，国内各行各业都在大力提升质量，那么提升试验成功率（也就是试验的质量），无论对试验结果的判定还是对产品性能的评价都具有重要意义，最终为高压交流断路器的新产品研发升级提供技术支持。

2 高压交流断路器短路关合和开断的安全试验技术规定

断路器触头应能分别关合和开断额定电阻短路开断电流及额定电阻短路开断电流以内的所有对称和其他非对称的短路电流。具有额定电压容性水平开断关合电流值的断路器，应能在低于额定电压值的容性水平下关合开断电流至其额定电压值的容性关合开断电流值。如果实验室试验容量能力满足，试验应尽可能使用直接试验的方式。如果实验室试验容量能力无法满足试验要求，则可以选择合成试验的方式来完成试验。作为进行短路关合开断试验的推荐经验，在试品数量上试验应在同一台试品上完成。在试验试品的安装布局上针对受试断路器布置应直接安装在自己的受试支架上或与之等效的其他支架上（各实验室一般都备有与之等效的支架）。依据目前国家标准上的一些相关技术规定，三极供电断路器的单极应在单相供电试验回路中进行，施加与完整三极供电断路器三相开断和关合中最高电应力极上在相应条件下承受相同的电流和几乎相同的工频电压。通过对一极中各电压单元间的电压变化分布的综合分析即可初步确定每个试验点的电压。在关合和开断两个试验进行前后均应按空载操作顺序进行操作（如O-CO、CO、O），并记录其合闸时间、分闸时间等特性参数（该数据可以和机械特性试验数据进行对比，以确保其准确性）。在断路器关合和开断试验进行的过程中，断路器在一般情况下不应该同时出现以下异常现象：（1）表现出控制电路或带电触头上发生损坏的异常工作现象；（2）表现出相与相之间或相对地之间存在相互击穿放电的现象；（3）表现出与相邻近的各种设备之间存在有害的相互作用；（4）表现较突出的或具有缺点可能直接影响危及其设备操作者的安全以及性能等。在试验后断路器的状态检查上，可在任意一个试验方式结束后，对断路器进行状态检查。作为试品的断路器其机械部件和绝缘件应基本上与进行短路试验前的实际工作状态相同。通过外观检查通常足以验证其绝缘性能。试验方式主要有T10、T30、T60、T100s、T100s（b）、T100a、OP1、OP2。其中除T100a 的操作顺序为外，其余试验方式的操作顺序均为。对于各种试验供电系统来说，要正确区分中性首开极系数1.5（中性点非有效接地）和中性首开极系数1.3（中性点有效接地）。对于试验操作方式均为T100a的开断试验，随触头短路分离起始时刻的不同对其试验的操作严酷度也就会有很大程度的区别，为了使非对称性的要求从一相转移到另外一相，各次开断试验之间短路起始点的角度都需要依次推60°。在相关国家标准（例如：GB/T 1984—2014）中还对如燃弧时间，最后电流半波的参数，预期瞬态恢复电压等关键参数做出了具体要求。

3 试验流程

试验从考核的最终意义上来讲，主要分为研发升级型试验和考核判定型试验。所谓研发升级型试验就是产品经过研发后通过试验的方式来对新产品所提升改进的方面做出一个相应的评价，并依据试验的结果数据对新产品的新技术做出一个相应的调整和完善，最终形成一个完整的参数调整。而性能考核中的判定型性能试验则主要是对已经研制成型的相关产品是否依据相关国家标准或其他相关产品行业标准对其性能进行是否符合性能的判定，为后续产品在实际工作条件下的使用提供判定依据。由此可见，无论试验的最终目的如何，在试验业务办理时，生产企业作为委托方首先要向承接试验的检测机构提供一套完整的试验产品的技术条件及试验大纲（包括如保证额定操作顺序的操作机构的最低条件，保证额定操作顺序的开断装置的最低条件等主要参数），以确保试验的顺利进行。实验室在承接业务后依据委托方的要求和相关国家标准或行业标准，编制试验工作卡，方便试验样品的流转和具体试验的实施。试品按照试验工作卡流转至各个承接具体试验的实验室后，各实验室再依据标准及具体的试验细则进行试验，并形成试验的原始记录，待所有试验项目结束后统一汇总编制出完整的检测报告，签字盖章后交付给委托方。

4 试验系统设计

容量试验室在接收到高压交流断路器后首先要对断路器进行一个简单的外观检查和基本操作，确认断路器无误后，可先根据生产企业提供的该断路器接线图进行控制线的连接，以确保该试验室时序控制系统能够准确地控制断路器的合分操作。完成控制接线后，依据断路器的额定电压，额定电流以及委托试验的具体方式和试验等级，选择与试验相匹配的试验回路和相应的采集系统前端设备（如电流线圈、电压互感器等）。对照国家标准中关于相关试验电源条款的回路参数控制规定，试验操作人员应先将相关试验电源回路短路连接，通过调节试验电源（如冲击高压发电机/高压电网），试验电源主开关回路中的电阻抗，变压器回路连接点等方式，选相开关的电合闸工作角度，TRV（瞬态恢复电压）试验回路工作参数等条件来最终准确实现相关试验回路参数的自动调节，使得到的试验电压，工频电流，恢复电压，试验电流有效值，试验电流功率峰值，试验电流直流因数分量，功率成本因数，TRV 等试验参数满足标准要求。在相关试验参数调节完成后，将试品连接至主回路中，依据标准要求的试验操作方式开始试验。以冲击发电机为试验电源为例，试验过程中，首先让冲击发电机自己开始励磁，当冲击发电机的入出口交流电压控制达到规定试验电源要求的出口电压控制等级后，由辅助控制驱动系统（即诸如时序控制系统和控制驱动系统等）将已经提前运行设置好的控制程序进行触发，控制回路中的辅助控制设备（如保护断路器、操作断路器、选相合闸开关等）和试品动作，完成整个试验过程。同时，在整个试验程序指令发出的整个过程中，数据采集系统一直处于采集状态，待提前设置好的触发点被触发后，完成整个采集。如若断路器动作正常，且采集到的示波图中读取的相关参数满足预期参数的要求，则认为该次试验通过，时间间隔3 min后，继续进行下一次试验。待所有试验程序完成后，将示波图和试验过程中形成的原始记录整理好，结束试验（试验过程中要做好原始数据的记录工作，并有效地形成原始记录，以确保原始数据的准确性、可溯源性，且满足CNAS-TRL-009：2018 电气检测领域原始记录的编制和管理中的要求。良好的原始记录应具备原始性、可操作性、真实性、有效性、溯源性和完整性）[2]。

5 数据采集和结果分析

试验结果有时可以通过直观的肉眼观察试验过程中的试验现象或试后检查断路器的外观来做出判断（如试验过程中通过监视系统观察到喷弧、打火等具体现象，试后检查断路器外观时发现有喷弧或打火的痕迹），有时也可以通过额定操作来做出判断（如试验过程中听到异响，通过额定操作发现断路器不能正常合分，判断触头可能发生焊接等现象）。目前，我国断路器生产行业的发展水平已比较成熟，上述两种现象属于比较少见的情况，而绝大多数情况下试验过程中观测不到具体现象，需要通过试验结束后分析试验示波图来实现结果的判定。试验示波图就是通过试验前端对该试验的具体预期参数而对应设定好后在试验过程中采集得来的。

高压、大电流试验的数据采集系统原理大多是：将主回路上的强电信号通过分压器、积分放大器等采集元件转变成一个弱电信号传输到采集前端上，采集前端再通过A/D 转换和E/O 转换将弱电信号转化为一个光信号，由光纤传导至主控室的采集系统主机，主机再将光信号转化为数字模拟信号传输至计算机上，最后再由指定的采集软件进行示波图的分析、还原和显示。有时示波图上可以很直观地看到电压或电流波形的畸变，通过畸变可以分析出试验过程中故障发生的大体情况（如：若电流波形有效值突然增大且波形为非对称正弦波，则可能在试验过程中发生了放电的过程；若恢复电压的起始部分开始就发生畸变且波形毛刺很大，则可能断路器的触头间重复发生击穿，触头绝缘性受破坏等）。还有一种情况就是示波图直观看上去没有任何问题，波形匀称且信号准确，这时就需要通过读取相关的试验参数，如试验电压有效值、试验电流有效值、直流分量、工频恢复电压、TRV 等参数，并与预期参数进行对比后再做出判断。

6 结束语

本研究详细介绍了高压交流断路器关合和开断试验，从试验要求到试验流程，从试验过程到数采结果分析，并对重点环节追加了解释说明。随着国内电力供电网络能力的不断提升，各试验室针对高压交流断路器关合和开断试验的试验能力和试验方法也在不断改进提高。无论是直接试验方式还是合成试验方式，解决好试验能力，最终满足客户和国家电力供电网络的需求，将是未来各容量试验室发展的主要方向。