相控断路器对电气系统可靠性的提升策略探究

国网河南省电力公司郑州供电公司 冯 翔 焦慧明

相控断路器是一种新型的断路器技术，其具有快速、可靠、高效等特点，被广泛应用于电气系统中。相控断路器的引入对电气系统的可靠性提出了新的挑战和机遇。为了进一步提升电气系统的可靠性，需要深入探究相控断路器的应用策略。

1 相控分合原理

1.1 相控分闸时序

在相控断路器进行分闸操作之前，需要先进行基准电流检测。通过检测电路中的电流大小，确定是否达到进行分闸操作的条件。在进行分闸操作时，需要生成相应的相控信号[1]。相控信号的生成通常是通过电气系统的保护装置或控制系统来完成的。当相控信号生成后，将触发相控分闸操作。相控分闸操作的触发可通过控制相控断路器的控制回路来实现。在进行相控分闸操作时，需要对电流进行限制。通过控制相控断路器的电流传输路径，限制电流的大小，以保证分闸操作的安全性。当相控分闸操作完成后，相控断路器将断开电路，实现分闸的目的。

1.2 相控合闸时序

在进行相控合闸操作之前，需要通过电气系统的保护装置，或控制系统生成相应的相控信号。相控信号的生成通常是根据电气系统的需求和保护要求来进行配置和设置的。生成相控信号的方式可以是通过电气信号的传递，例如通过继电器、电子开关等设备来实现[2]。当相控信号生成后，将触发相控合闸操作。触发相控合闸操作可通过控制相控断路器的控制回路来实现。控制回路可以通过信号线、电缆等方式与相控断路器连接，以实现信号的传递和触发。

触发信号的方式可以是手动操作，例如通过按钮、开关等手动控制设备来触发合闸操作；也可以是自动操作，例如通过自动化控制系统根据电气系统的需求自动触发合闸操作。在进行相控合闸操作时，需要对电流进行限制，以保证合闸操作的安全性。通常通过控制相控断路器的电流传输路径来限制电流的大小。可以通过控制断路器内部的电磁元件、电子元件等来实现电流的限制。例如，通过调节电磁铁的励磁电流、电子元件的阻值等来控制电流的大小。当相控合闸操作完成后，相控断路器将闭合电路，实现合闸的目的。合闸操作完成后，电力系统将恢复供电，电流将得到正常传输，实现电气系统的正常运行。

2 随机分合与相控分合对牵引系统可靠性的影响比较

2.1 随机分合对牵引系统可靠性影响

随机分合操作意味着牵引系统的分合频率会增加。频繁的分合操作可能会增加设备的磨损和故障的风险。例如，电气接触器在频繁分合操作下可能会出现接触不良或磨损等问题，导致系统故障。随机分合操作可能会导致牵引系统的负载发生变化[3]。例如，当分合操作发生时，电动机的负载可能会突然增加或减少。这种负载变化可能会对电动机和相应的控制系统产生额外的压力，导致其可靠性下降。

2.2 相控分合对牵引系统可靠性的提升

相控分合可以减少电气设备的磨损和故障率。相较于传统的机械式分合，相控分合的操作更加平稳，避免了机械零部件的磨损和故障，因此能够延长电气设备的使用寿命，降低故障率。相控分合操作速度快，能够在短时间内完成分合操作，提高了牵引系统的运行效率。同时，相控分合操作也能够减少停机时间，增加牵引系统的可用性。相控分合操作在分合过程中能够减少电弧的产生，从而降低了系统的火灾风险，增强了系统的安全性。

此外，相控分合操作还可避免因为机械式分合操作不当造成的人身伤害事故。相控分合操作能够减少电气设备的振动和噪声，提高了系统的稳定性。同时，相控分合操作能够避免电气设备的过电压和过电流现象，从而保证了电气设备的稳定运行[4]。

选择合适的分闸相位投切变压器可减少谐波成分，降低电压畸变水平，保证变压器二次侧电压的稳定性和质量。相控分合断路器在操作过程中，由于合分闸相位投切变压器的选择，不会产生非特征次谐波。非特征次谐波是指不属于基波频率的谐波成分，可能会对牵引变流器产生干扰。

相控分合断路器的设计可避免非特征次谐波的产生，保证牵引变流器的正常工作。相控分合断路器的操作不会诱发网间的非特征次谐波谐振。非特征次谐波谐振是指由于非特征次谐波的存在，可能会在电力系统中形成谐振回路，导致系统的不稳定或设备的损坏。相控分合断路器的设计考虑了非特征次谐波的抑制，不会引发谐振问题，确保稳定运行，合闸相位的选择如图1所示。

图1 合闸相位的选择

3 随机分合与相控分合对高压电气系统可靠性的影响比较

3.1 随机分合对高压电气系统可靠性影响

设备的磨损和老化是由于随机分合操作导致高压电气设备频繁进行分合操作，这使得设备承受更多的机械应力和电磁应力。特别是在高压断路器等关键设备上，频繁的分合操作可能会导致接触不良、烧损等问题，进而降低设备的可靠性。分合操作时，设备中的接触部件会受到更多的压力和摩擦，这会导致金属部件的磨损并导致接触不良，进一步影响设备的正常运行。

3.2 相控分合断路器对高压电气系统的保护

通过选择合适的相位进行投切，可以减少涌流和操作过电压的幅值和时间，从而降低对电力系统和设备的冲击，保护设备的稳定运行。相控分合断路器的操作不会诱发网间的非特征次谐波谐振。非特征次谐波谐振是指由于非特征次谐波的存在，可能会在电力系统中形成谐振回路，导致系统的不稳定或设备的损坏。相控分合断路器通过选择合适的相位进行投切，避免了非特征次谐波谐振的发生，保证运行网的稳定运行。相控分合断路器在操作过程中不会产生操作过电压。

操作过电压是指断路器分闸瞬间的电压波动，可能会对电力系统和设备造成不利影响。相控分合断路器的设计考虑了操作过电压的抑制，确保操作过程中电压的稳定性和质量。从图2（a）至（b）可以看出，相控分合断路器合闸不会引起变压器二次侧电压、牵引网压波形畸变。图2中，二次侧电压谐波总畸变率THDu 仅为1.19%；网压谐波总畸变率THDu 从涌流产生前的1.09%到涌流产生后的1.11%，几乎没有变化。这符合GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》对35kV 系统电压THDu ≤3%的要求。

图2 相控合闸的电流与电压波形均无畸变

相控分合断路器通过选择合适的相位进行投切，可以从源头抑制涌流与操作过电压，不会诱发网间的非特征次谐波谐振，也不会产生操作过电压。通过试验证明，相控分合断路器合闸不会引起变压器二次侧电压、牵引网压波形的畸变。这些效果保证了牵引系统的稳定运行，提高了牵引系统的可靠性。

4 随机分合与相控分合对弱电设备可靠性的影响比较

4.1 随机分合对弱电设备电磁干扰问题

随机分合操作可能会导致电磁干扰对弱电设备造成问题。电磁干扰是由电磁场的变化引起的，而随机分合操作会产生电弧和电流突变，从而产生较强的电磁场。这些电磁场可能会对弱电设备的正常运行产生干扰和影响。随机分合操作产生的电弧和电流突变会产生较强的电磁辐射，这些电磁辐射可能会干扰弱电设备的正常工作。

例如，无线通信设备、传感器和测量仪器等弱电设备可能会受到电磁辐射的干扰，导致信号传输失真、测量偏差等问题。主断路器随机分闸时可能会产生分闸过电压，而分闸过电压会对控制系统和通信系统的可靠性造成危害。根据文献中的仿真分析结果，主断路器分闸时在机器上可能会产生6kV 的浪涌过电压。虽然避雷器可以吸收部分过电压，但由于避雷器无法完全匹配分闸过电压，设备上仍然存在过电压。因此，有必要从源头抑制分闸过电压。尽管避雷器可以吸收部分过电压，但仍然可以观察到分闸过电压的存在。这表明避雷器不能完全抑制分闸过电压，因此需要从源头进行抑制[5]。

主断路器随机分闸时可能产生分闸过电压，而分闸过电压会对控制系统和通信系统的可靠性造成危害。为了降低分闸过电压的影响，可以采取合适的主断路器，使用过电压抑制装置，以及优化系统设计等措施。这些措施有助于从源头抑制分闸过电压，保障系统的可靠运行。

4.2 相控分合对弱电设备电磁干扰抑制

采取电磁屏蔽措施后，相控分合操作产生的电磁辐射会得到显著减少。弱电设备周围的电磁场强度会降低，从而减少对弱电设备的电磁干扰。电磁屏蔽和接地保护措施可减少相控分合操作产生的电磁感应效应。弱电设备中的感应电流会得到减少，减少对弱电设备电路的干扰。

电磁屏蔽和良好的接地保护可降低相控分合操作对弱电设备的电磁耦合效应。弱电设备中的电流和电压变化会减小，减少对其他设备的干扰。通过滤波器和继电器的使用，可以过滤掉相控分合操作产生的电磁噪声，提高弱电设备的信号传输质量。信号传输更稳定、准确，减少数据传输错误和失真。

良好的电磁兼容设计和环境隔离，可减少相控分合操作对弱电设备的电磁干扰，降低设备故障率。设备的稳定性和可靠性得到提高，延长设备寿命。相控分合对弱电设备的电磁干扰抑制能够保证系统的安全性。弱电设备工作正常，不会因为电磁干扰而引发安全风险，确保系统的稳定运行。

5 结语

相控分合真空断路器通过利用人工智能技术预测合分闸时间、选择合适的合分闸相位，能够从源头抑制涌流与操作过电压，保护车载设备，进而提高电气系统的可靠性。这一技术的应用将为电气系统的安全稳定运行提供重要保障，具有广阔的应用前景。