高压开关大容量试验技术研究

河南省高压电器研究所有限公司 姜珊盼 付二顺 郗姗姗 孙 蕊 河南平高电气股份有限公司 逯 丹

在研究和开发过程中，断路器试验用于验证产品设计的性能和在特定条件下新设计方案的极限，最终具有代表性的设计方案的性能要通过不同型式试验方式的完成和检验得到证明[1]。型式试验包括关合和开断试验、机械和环境试验、无线电干扰试验、短时耐受电流和峰值耐受电流试验、绝缘试验等。其中关合和开断试验是为了验证高压开关产品开断电网中故障电流的能力，验证其能否在电力系统最严酷的工况下可靠工作。现有技术无法通过模拟的方法来考核断路器的开断能力，这时候需要大容量试验来验证产品性能[2]。

1 大容量试验常用参量[3]

1.1 短路电流（id）

短路电流分为周期分量、非周期分量两个指标：其中周期分量是一个稳态分量，非周期分量是一个指数衰减函数曲线，经过一定时间后衰减至零。额定短路开断电流有两个关键参数：交流分量有效值、直流分量百分数。直流分量大于20%的断路器大容量性能验证可以用容量方式五试验来考核。

1.2 开断后瞬态恢复电压（TRV）

开断后的恢复电压是考核断路器性能非常关键的一个参数。开断电流熄弧后，断路器两端会产生恢复电压（TRV）。恢复电压分为先后两个部分，瞬态恢复电压，上升率很高，然后是工频恢复电压，可以是正弦波也可以是直流，幅值趋向于电源电压。对开关电器开断性能来说，在熄弧过程中起重要作用的恢复电压是瞬态恢复电压，但是其大小又与电源电压有关，成一定的比例关系。

1.3 首开极系数（kpp）

首开极系数是三相开断中，首开极的工频恢复电压和后开极工频恢复电压之比。三极断路器开断时，三极断口所开断的电流大小和恢复电压的大小与系统是中性点有效接地和非有效接地有关系。但均可得到以首开级为最高，即首开极的开断条件最为严酷。因此，在IEC 和国家标准上三相系统中的恢复电压就是指首开极上的恢复电压。

2 高压开关大容量开断能力的试验方法

开断能力的试验方法可以分为直接试验和间接试验两类。

直接试验也可称为完全试验，按照断路器在实际电网中的工况施加电压、电流。一般在网络试验站进行试验，完全按照电网中断路器的应用要求来进行。在任何可能的情况下，直接试验是最好的选择。

间接试验则允许以其他方式评价三极断路器的性能，而不是在可提供全部短路容量的三相回路中进行试验。常见的间接试验包括单元试验、合成试验。

2.1 单元试验

单元试验是以断路器的部分断口作为单元进行试验，从而不用对全部断口进行试验。对于双断口或者多断口断路器，多个断口结构一致的情况下可以对单一的断口进行试验，适当地考虑电压不均匀系数，试验电压可以降低，显著地降低了试验时的容量要求。

2.2 合成试验

合成试验是以低电压、大电流和高电压、小电流两个电源，先后加在断路器上来满足开断过程中大电流灭弧后高电压的要求而进行的试验[4]。现在大部分72.5kV 及以上的断路器采用的都是合成试验方法。合成试验电流源可以采用网络试验站或者发电机。电压源可以采用电容、电抗、电阻振荡的方法，可以产生很高的恢复电压。

3 大容量网络试验站

大容量网络试验站可以直接将断路器放入电网中进行关合与开断试验，人为地造成短路故障，在短时间内提供相当于电力系统短路时那样大的电流验证其能力。

本文设计的回路如图1所示，T0为被试断路器。将被试断路器放在大容量网络试验站回路中，短路变压器可以提供不同电压等级的试验电压，通过电抗器用来调节试验电流，可以得到合适的电压电流直接对断路器进行考核。

图1 网络试验站回路原理图

4 大容量合成试验回路

随着电网电压等级的提高，断路器的短路容量逐步变大，直接试验已经不能满足要求。现在进行高电压等级的断路器试验时，合成试验采用得非常广泛，试验的等价性也得到公认[5]。

合成试验采用通用回路-威尔试验回路（电流引入法）。合成回路的电流源一般采用网络，可以采用短路发电机，电压源采用振荡回路，其适用于基本短路试验方式T100、T60、T30、T10、OP1、OP2、单相接地故障或异相接地故障，试验特性有两参数和四参数两种工况。

5 大容量试验实例

以下利用合成试验方法进行一个145kV-40kA断路器T60试验。145kV 断路器T60的预期TRV（断路器开断短路电流后的瞬态恢复电压）参数见表1，瞬态恢复电压峰值达到272kV。

表1 T60试验预期TRV 参数

试品是一个145kV-40kA 气体绝缘金属封闭开关设备，进行基本短路T60试验，单相试验。图2为用仿真软件计算的预期TRV 波形，符合四参数预期恢复电压要求。

图2 仿真软件模拟断路器开断后TRV

因为试品额定电压高，开断容量大。采用的是合成试验回路。本次采用的是合成电流引入回路，试验采集到的重合闸试验波形如图3所示。图3从上到下采集到的波形信息分别为：ITOcl（合闸线圈电流）、ITOop（分闸线圈电流）、Ur（断路器开断后的恢复电压）、Ucs（电源电压）、ITO（试品电流）、Ics（电流源电流）、Isyn（合成引入电流）、Tr（试品行程曲线－重合闸操作）。

图3 145kV 断路器T60重合闸试验

断路器合分试验获取的波形和数据如图4所示，考核的是断路器在中燃弧时间的开断性能。包含Ur（断路器开断后的恢复电压）、ITO（试品电流）等关键考核参数。

图4 145kV 断路器T60合分试验

不同于直接试验，为保证试验的等价性，需要对合成试验参数中的一些参数进行规定。第一，电流源电压至少为电弧电压的10倍。本次试验电流源电压是12.3kV。第二，合成试验引入电流的过零点斜率应该和直接试验中过零点斜率一致，才能保证与在电网中考虑断路器一样的等价性。24kA 直接试验电流过零点斜率是10.7A/us，本次合成试验过零点斜率是10.8A/us，在标准要求范围内。第三，电压源电流的振荡频率一般为工频的5～20倍，即250～1000Hz，以500Hz 为宜。电压源和电流源相互作用时间在200～500us 之间，图3中电压源和电流源相互作用时间460us 满足要求。