基于快速关合装置的合成关合试验方法及研究

邢 建 罗时聪 范 杰 侯宇飞

（上海电气输配电试验中心有限公司，上海 200072）

基于快速关合装置的合成关合试验方法及研究

邢 建 罗时聪 范 杰 侯宇飞

（上海电气输配电试验中心有限公司，上海 200072）

设计了基于快速关合装置的全电压合成关合试验回路，核心单元为可控触发球隙，并利用Matlab软件对该回路进行了仿真计算。同时，结合相关试验，验证了全电压合成关合试验回路的可行性，且具备高成功率、低成本及运行简便等优点。

快速关合；全电压；可控触发球隙

1 引言

高压大容量试验站对断路器等高压开关设备新产品的设计、开发和性能测试起着非常重要的作用。随着电力系统容量、电压等级的不断提高，断路器的关合、开断容量也越来越大，直接试验已经不能满足要求而且也是非常不经济的。受到试验容量和技术条件的限制，具有最大预燃弧时间的短路关合试验只能以合成的方式进行，目前在世界范围内只有少数几个大功率试验室能够进行该项试验。早在1977年，意大利CESI大功率试验室便研制出了高试验参数的专用关合开关并建立工业性的合成试验回路[1-2]，其采用的合成试验线路被IEC采用，并在IEC60427出版物中作为交流高压断路器试验标准推荐使用。

针对本试验站现有设备状况和试验条件，提出了以可控触发球隙等作为快速关合装置的合成关合试验回路。本文重点阐述了合成关合试验中的控制策略及实现方法，并通过完成关合试验验证了试验回路的正确性。

2 关合试验

2.1 关合试验简介

如电力系统中的电力设备或输电线路在未投入运行前就已存在绝缘故障，甚至处于短路状态，当断路器在这种情况下关合，由于电源电压的作用，动、静触头在闭合前就会发生预击穿并出现短路电流。在关合过程中出现短路电流会对断路器的关合造成很大斥力，有时会出现触头合不到位的情况。此时，触头间会形成持续电弧，造成断路器的严重损坏甚至故障。为了避免出现上述情况，断路器应具有足够的关合短路故障的能力，即断路器的额定短路关合电流。

2.2 标准对关合试验的规定

GB 1984-2003《高压交流断路器》的6.104.2.1款明确规定，断路器关合额定短路关合电流的能力在试验方式 T100s中验证[3]。并列出了两种极端的情况：在电压波的峰值处关合，产生一个对称的短路电流以及最长的预击穿电弧；在电压波的零点关合，无预击穿，产生一个完整的非对称短路电流。对于断路器则要求能够关合预击穿始于外施电压峰值处而产生的对称电流，该电流为额定短路开断电流的对称分量。同时又加了如下注解：如果电流起始于外施电压峰值的±15°内，则认为短路电流是对称的。如图1所示。

图1 关合过程

GB/T 4473-2008《高压交流断路器的合成试验》第五章也提出了合成关合试验的试验技术和方法[4]。表3中规定对于T100s可选用下列试验程序：Cssym，Os，Od-t-CdOs-t′-CdOs，两次 Cd中必须有一次 Cdasy。该程序中，Cssym为在合成回路中要求的外施电压下对称电流等于额定短路开断电流的合闸操作；Os为在合成回路中具有规定参数的开断操作；Od为仅有电流源电压且有规定的开断电流的开断操作；Cd为在可能小于 GB1984-2003的 6.104.1规定电压的电流源电压的直接回路中的合闸操作；Cdasy为在符合GB1984-2003的6.104.2的额定短路关合电流的直接回路中且在Cd规定的条件下的合闸操作；t为操作之间的时间间隔（根据额定操作顺序，0.3s或3min）；t′为操作之间的时间间隔（3min）。

对于断路器的失步试验，GB 1984-2003《高压交流断路器》的6.110.3中规定，对于试验方式OP2中的合-分操作循环中的合闸操作：工频电压应为关合应出现在外施电压峰值的±15°内，与T100s试验相同。若进行合成试验，则可采用替代的操作顺序：Cssym，（Cd）Os，Os，Os。其中 Cssym为全电压下的C，Cd为低电压下的合闸操作，也可在空载条件下进行。

综上所述，在试验方式T100s和OP2的试验中需要对断路器进行全电压关合，T100s还必须进行最大非对称电流关合。

3 合成关合试验回路

3.1 电路原理

关合最大非对称短路电流时，断路器在电压零点关合（Cdasy），采用直接试验回路就可以完成。全电压关合试验（Cssym），要求断路器在电压峰值处关合，产生对称电流，基于电源容量的限制需要采用合成试验回路。此时，断路器的关合电压和关合电流分别由不同的电源提供。

为了实现全电压关合，根据标准设计了如图2所示的合成试验回路。关合电流和关合电压分别由US和CS两端的电压UCS提供，I2为初始瞬态关合电流，I为对称关合电流。

图2 合成关合试验回路

关合试验前，关合装置球隙两端电压为被试断路器上电压UCS与电流源电压US之差；充电完成后，电容器 C1两端的电压实际上就是关合装置球隙两端的电压，主球隙G2必须能耐受住这一电压。试品关合时，将在直流电压源电压 UCS（即试品额定相电压峰值）下发生预击穿。此时，电容器C1上已充有与 UCS几乎相等的电压，C1通过 R1和 Cr并联支路、试品及 C0与放电回路的寄生电感 L0形成第一高频振荡放电。回路中虽有三个电容器串联但其中Cr远小于C1和C0，故振荡频率主要由Cr及L0决定。由于放电频率很高，Cr表现的阻抗远小于电阻R1，故放电电流主要流过Cr，使Cr两端电压UCr急剧上升。当 UCr电压升至小间隙 G1的击穿电压时，G1击穿放电，这一电压立刻加到电阻R2上，亦即加到主球隙的触发间隙g上，对主球隙G2形成强烈的触发，从试品预击穿到主球隙G2触发的整个过程在数十微秒内完成。由于R1和Cr的并联支路已被短接，其后就是C1通过C0和试品及L0形成第二高频振荡放电，其频率比前一过程稍低，放电电流仍通过触发间隙g，也是触发火花的组成部分，但比Cr的放电过程来得慢，所以对主球隙G2的贯穿贡献不大。且由于第一过程中部分电荷已转移到 C0以及消耗在试品的弧阻和回路的寄生电感上，故第二过程中，C1上电压比预击穿瞬间已稍有衰减。主球隙G2触发贯穿后，形成通路，电流源立即经过主球隙G2送出流经试品的工频短路关合电流，从而实现了试品在额定电压下的关合试验。为保护主球隙G2，防止大电流流过时间太长，与之并联了一台辅助开关。同时，当试品未进行关合操作时，为防止主球隙 G2误动，使电压源高电压加载到电流源回路上去，则需在电流源侧设置一保护球隙G。

3.2 参数选择

为了保证上述原理电路的实现，需对回路参数合理选择，笔者利用Matlab软件对试验回路进行了仿真计算。

在试品预击穿瞬间，合成关合回路的等值电路图如图3所示，相当于 C1对 Cr及 C0充电，其中C1=0.75µF，Cr=0.026µF，C0=2.0µF，L0≈7µH。该回路的固有频率为

图3 预击穿瞬间回路等值电路图

当Cr两端电压达到小间隙G1的自放电电压后，G1和g先后贯穿，合成关合回路中Cr和R1被短接，此时的等值电路图如图4所示，相当于C1对C0放电，此时回路的固有频率为

图4 小间隙贯穿后回路等值电路图

当CS上充电电压为103kV时，我们可以得到

对于 126kV及以下电压等级的试品，在进行T100s试验方式中的全电压关合时可以采用如图2所示的试验回路进行试验。而对于126kV及以上电压等级的试品进行失步关合试验时，由于电压回路充电电压较高，我们将采取如图5所示的试验回路进行试验。

图5 双球隙合成关合试验回路

3.3 试验回路的调试及分析

在理论分析和仿真计算的基础上，笔者对全电压合成关合试验回路进行了调试。在调试之前，我们做了大量的准备工作，包括被试品的关合特性，验证试品关合时预击穿的稳定性以及局部回路过电压的验证试验等等。达到预定目标后，笔者对合成关合试验回路进行完整的系统带电调试。调试过程中，发现较多的问题集中在试品预击穿后，可控触发球隙不能贯穿或者贯穿的时延较大，使得电流源提供的短路关合电流不能在标准规定的时间内流经试品，导致试验失败。

为了解决调试过程中出现的问题，对试验回路进行了分析，发现存在几点不足。首先，试验回路中的母线过长，导致放电回路中寄生电感 L0比较大，这样回路的频率就会降低，使得小间隙G1、触发间隙g及主球隙G2两端电压上升速率较低，延长了球隙的放电时间。其次，试验回路中的C0较小，在UCS对C1充电过程中会起到分压的作用，这样就会降低电容器C1两端的电压UC1，也即主球隙G2的端电压，对主球隙贯穿产生不利的影响。为了克服这些不利因素，笔者对试验回路进行了改造。将快速关合装置与电容器 C0等设备均置于试品附近，尽量缩短试验回路中的连接线，减小回路中的寄生电感 L0。同时，增大试验回路中的 C0值，使电容器 C1上的电压与UCS几乎相等，提高主球隙G2贯穿的效率。

在完成这些改造后，对试验回路再一次的调试，以期解决关合装置触发点火控制的稳定性和准确性问题。调试结果为可控触发球隙在试品预击穿后立即贯穿，电流源提供的关合电流迅速流经试品，调试成功。值得一提的是，因为被试断路器关合发生预击穿时刻有一定的不确定性，为了使试品在电流源电压峰值时刻关合，有可能需要进行多次试验。

4 126kV SF6断路器的合成关合试验

GB/T 4473-2008《高压交流断路器的合成试验》中5.2.3规定，在关合电压Uh为交流电源的情况下，关合装置时延tm应尽可能地短且在任何情况下不得长于 300µs。

为此，笔者通过T100s全电压关合试验对前述关合试验回路进行了验证。试验时采用的试品为户外高压交流 SF6断路器，其额定电压为 126kV，额定电流为3150A，额定短路关合电流为40kA。试验回路如图2所示。

经多次试验验证，从预击穿开始到短路大电流的引入时延在50～80µs之间，图6为现场试验时的波形图。

图6 T100s全电压关合试验波形图

后来，笔者又利用如图5所示的试验回路完成了该台断路器的失步关合试验，其波形图如图7所示。

图7 失步关合试验波形图

5 结论

全电压关合试验是高压交流断路器型式试验的必试项目，对试验回路及设备有特殊要求，必须有可靠的高精度关合装置。全电压合成关合试验时，试品在电压源的作用下发生预击穿燃弧的同时，快速关合装置在满足关合条件的前提下应随即贯穿，使试品由电压源作用下迅速地转入电流源作用。本文提出的以可控触发球隙为主体的快速关合装置基础上构建的全电压合成关合试验回路具有很高的成功率，且运行简便，成本较低，能够满足标准的相关规定。

[1] ALDROVANDI G, BONFANTI I, KUHNHARDT G, et al. New Application of Synthetic Circuit Development in CESI and IPH [C]// CIGRE Session, Pairs, 1992: 201.

[2] MANGANARO S, ROVELLI S. A New Circuit for Synthetic Auto-reclosing Test Duties under Short Circuit Condition on High-power Circuit-breakers[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1977, 96(5): 1620-1630.

[3] GB1984-2003. 高压交流断路器[S].

[4] GB/T 4473-2008. 高压交流断路器的合成试验[S].

Synthetic Making Test Method and Research Based on Quick-making Device

Xing Jian Luo Shicong Fan Jie Hou Yufei
(Shanghai Power Transmission & Distribution Testing Center Co., Ltd, Shanghai 200072)

A full-voltage synthetic making test circuit was designed based on quick-making device. The core unit were controllable triggered gaps. The test circuit was simulated and calculated with matlab. At the same time, it was verified the feasibility of the full-voltage synthetic making test circuit through a series of tests. And the circuit had many merits, such as high success rate, low cost,simple operation and so on.

quick-making；full-voltage；controllable triggered gaps