高壓斷路器開斷與關合試驗方法的發(fā)展與現(xiàn)狀

高壓斷路器開斷與關合試驗方法的發(fā)展與現(xiàn)狀

高壓裝置的誤差和關合試驗內(nèi)容廣泛。除溝通部級高壓裝置國家標準gb1984-2003中規(guī)定的測試點、輸出端短路誤差開孔和關合試驗、附近誤差開孔試驗和線路充電流開孔試驗（空線路開孔試驗）外，還包括失步短路開孔和關合試驗、單組和聯(lián)合電壓公司的開孔和關合試驗。對于開斷和關合能力的試驗方法,按照試驗電路分類,可以分為直接試驗和合成試驗。(1)直接試驗方法是一種短路試驗方法,其中外試電壓,電流,瞬態(tài)及工頻恢復電壓全部取自一個電源回路。該回路可以是電力系統(tǒng)、短路試驗發(fā)電機或者兩者的聯(lián)合。在一定的使用范圍內(nèi),也可以是充電的電容器對電抗器放電的LC單頻振蕩回路,試驗回路的外施電壓及工頻恢復電壓與該電源的電壓相當。(2)合成回路試驗法也是一種短路試驗,是間接的試驗方法,其中大部分電流或者全部電流取自一個電源(電流回路),而大部分或者全部的試驗電壓取自另一個或更多的獨立電源(電壓回路)。在電力系統(tǒng)中進行現(xiàn)場試驗受到電網(wǎng)條件約束的影響,且試驗參數(shù)不易調(diào)整;由于每次短路試驗對電力系統(tǒng)都會帶來一定的沖擊,試驗次數(shù)和容量受到很大限制。目前絕大多數(shù)開斷與關合試驗在實驗室中進行。對試驗系統(tǒng)的要求是:試驗參數(shù)便于調(diào)節(jié)和測量,試驗效率高,試驗次數(shù)不受限制,適用于新產(chǎn)品的研究和試制,而且可以進行高壓斷路器的型式試驗。1短路修復與封閉試驗設備及試驗參數(shù)的測量高壓斷路器的短路開斷與關合試驗的兩種實現(xiàn)方式:直接在電網(wǎng)進行、沖擊發(fā)電機做電源。1.1保護環(huán)路原理利用電網(wǎng)可直接對斷路器進行短路電流的開斷與關合以及其它試驗,通常稱為網(wǎng)絡試驗或現(xiàn)場試驗。這種方法最符合應用時的實際情況,試驗時把被試斷路器接到電網(wǎng)上,人為地造成電網(wǎng)短路故障,進行斷路器的開斷與關合試驗。網(wǎng)絡試驗的基本接線方式如圖1所示。圖中B為母線進線,T為變壓器,用來為試品提供工頻恢復電壓,QFb為保護斷路器,QFh為合閘斷路器,L為電抗器,用來調(diào)節(jié)短路電流,QFt為被試斷路器,C0和R0為用來調(diào)節(jié)瞬態(tài)恢復電壓的調(diào)頻電容和調(diào)頻電阻。網(wǎng)絡試驗的主要設備如變壓器、電抗器和斷路器等都是特殊設計的,能夠經(jīng)常耐受短路電流的沖擊,而且電壓、電流和恢復電壓等試驗參數(shù)便于調(diào)節(jié),試驗也比較方便。網(wǎng)絡試驗的優(yōu)點是不需要專門的電源投資,試驗條件符合斷路器的實際使用狀況,試驗的等價性好。網(wǎng)絡試驗的電流受電力系統(tǒng)短路容量的限制,只能試驗開斷容量在一定范圍的斷路器,瞬態(tài)恢復電壓不易調(diào)整,每次短路試驗相當于電網(wǎng)發(fā)生一次短路故障,影響相鄰用戶的正常用電,而且線路中的設備經(jīng)常受到短路電流的沖擊,影響使用壽命。1.2發(fā)電機及短路發(fā)電機由于網(wǎng)絡試驗存在上述限制,可以采用專供短路開斷和關合試驗用的同步發(fā)電機作為試驗電源,這種發(fā)電機稱為沖擊發(fā)電機或短路發(fā)電機。利用沖擊發(fā)電機進行斷路器短路關合與開斷試驗的原理如圖2所示,圖中M為電動機,G為短路發(fā)電機,GE為勵磁機,T為變壓器,用來改變工頻恢復電壓,QFb為保護斷路器,QFh為合閘斷路器,QFt為被試斷路器,C0和R0為用來調(diào)節(jié)瞬態(tài)恢復電壓的調(diào)頻電容和調(diào)頻電阻。進行短路開斷試驗時,有兩種操作方法。(1)突然泄漏2短路電流開斷試驗一般電力開關電器由于斷流能力很大,不能直接在電網(wǎng)上進行試驗。高壓合成回路則是一種用于高壓斷路器分斷能力試驗的經(jīng)濟有效的試驗裝置。分析如圖3所示的開斷過程中的電流、電壓示波圖可以看出:電弧熄滅以前,弧隙上的電壓很低,主要為線路阻抗上的壓降;電流過零前后,電流很小,但過零后加在弧隙上的恢復電壓很高?？梢姅嗦菲髟陂_斷過程中,大電流和高電壓并不是同時出現(xiàn)在弧隙上的?；谝陨咸攸c,進行短路電流開斷試驗時可以采用兩套相對獨立的電源。由低壓大電流源構成短路電流回路,簡稱電流源;由小電流高電壓電源構成電壓回路,簡稱電壓源。用以上兩個電源代替原來單獨的高電壓、大電流電源,并由同步控制裝置在電流過零區(qū)合成。這一試驗系統(tǒng)被稱為合成(試驗)回路,并稱該試驗方法為合成試驗法。合成回路的電流源可以直接取自電網(wǎng),也可以是沖擊發(fā)電機或振蕩回路,電壓源一般都采用振蕩回路。合成回路雖然需要兩套電源,但是每套電源的容量都相對較小,總的設備投資要比直接試驗小得多,而且合成試驗的等價性已經(jīng)得到公認,在相關的IEC標準和國家標準中都有明確體現(xiàn)。3高壓濾波器試驗與其它試驗條件和試驗方法高壓斷路器現(xiàn)有的試驗標準主要包括IEC、IEEE制定的一些國際或者區(qū)域標準,以及各個國家根據(jù)自己電力發(fā)展狀況制定的一些國家標準。國際電工委員會IEC制定和推薦的標準為各國廣泛接受。國際市場上的電工產(chǎn)品以及國際招標大多以IEC標準所規(guī)定的性能指標為訂貨要求。1969年IEC的各成員國一致在各個國家標準中盡可能完整地采用IEC推薦的標準。我國制定高壓電器產(chǎn)品國家標準以及試驗標準也是盡量和IEC標準接近。己經(jīng)制定的標準不是固定不變的。隨著電網(wǎng)的發(fā)展和技術的進步,對電器產(chǎn)品的運行條件不斷發(fā)現(xiàn)和提出新的要求,產(chǎn)品的結構和性能也在發(fā)展進步,對試驗條件和試驗方法不斷提出新的課題。這些課題常常先在國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)所屬的學術組織中研討。與高壓斷路器試驗有關的IEC標準和我國的國家標準包括:(4)GB1984-2003,交流高壓斷路器.其中IEC62271-100(2001)是關于IEC60056(1987)的第5版,我國國家標準GB1984-2003是對GB1984-1989《交流高壓斷路器》的全面修訂,其內(nèi)容基本保持了與IEC62271-100的一致性,又由于我國電網(wǎng)狀況和電器設備自身的特點具有一定的差別。由于合成試驗方法具有經(jīng)濟、靈活、對試品破壞性小以及參數(shù)易于調(diào)節(jié)的特點,因此被廣泛采用作為高壓電器產(chǎn)品型式試驗和驗證試驗。進行大功率試驗的專用高電壓、大功率設施又稱為高電壓強電流試驗站,它是用以研發(fā)高壓開關設備,尤其是高壓斷路器的主要設施。大功率試驗站的類型有網(wǎng)絡試驗站、沖擊發(fā)電機試驗站和振蕩回路試驗站。它們既可以單獨運行,又可以相互配合進行多種類型的試驗。啟動電動機M和GE勵磁機,使發(fā)電機G的轉速達到額定轉速后,調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流,使發(fā)電機的電壓達到額定值。然后,突然切斷電動機的電源,并使合閘斷路器接通試驗回路,這時被試斷路器開斷進行短路電流開斷試驗。該試驗利用發(fā)電機轉子和飛輪具有的動能,保證試驗時發(fā)電機電壓和轉速基本穩(wěn)定。(2)沖擊發(fā)電機用于開斷試驗試驗前利用合閘斷路器先將試驗電路與短路發(fā)電機接通,當沖擊發(fā)電機達到額定轉速時突然加上沖擊勵磁電流,這時發(fā)電機的電壓和短路電流由零開始急速上升,等增加到所需值時令被試斷路器開斷,進行短路電流開斷試驗。由于沖擊勵磁電流可達到正常勵磁電流的十幾倍,必須迅速使勵磁繞組去磁,否則發(fā)電機電壓過高會導致繞組絕緣受到損壞。利用沖擊發(fā)電機可以進行三相短路電流的開斷試驗,它的等價性好、運行方式比較靈活、參數(shù)易于調(diào)節(jié)、試驗次數(shù)和時間不受限制;還可以進行自動重合閘試驗,動、熱穩(wěn)定試驗、近區(qū)故障和其它開斷試驗。建立裝有沖擊發(fā)電機的試驗室投資巨大,運行、維護工作量大,操作復雜;用作直接試驗時,容量仍然受到限制。此外,電壓等級超過40.5kV時,系統(tǒng)恢復電壓的參數(shù)滿足不了指標要求,因此,沖擊發(fā)電機常常作為合成試驗中的電流源使用。在最近半個世紀的時間里,人們對很多合成試驗方法及其工作狀況進行了研究。根據(jù)相互作用階段被試斷路器上電源的作用情況,可將合成試驗方法分為兩大類型。(1)電壓輸入電路電流源提供電流過零前的大電流以及電流剛過零時的高電壓,電壓源提供緊隨其后的高電壓。(2)振蕩回路點火焰隙電流源提供電流過零前的大電流,電壓源在電流過零前已經(jīng)作用在試品斷路器上,電壓源也提供部分電流。電流過零時,電壓源提供的恢復電壓立即自動作用在斷路器上。普遍認為電流過零前幾百微秒時電弧電阻大,由于電流源的電壓較低,電流難以保持正弦形狀而出現(xiàn)一定的畸變。只有在電流過零前幾百微秒時就讓電壓源投入工作才能保證被試斷路器的電弧過程與實際電網(wǎng)中的開斷過程基本一致,可以看出電流引入回路的等價性更好一些。采用電流引入方式的合成回路通常稱為威爾(Weil-Dobke)回路,圖4為威爾合成回路的接線原理圖。短路發(fā)電機G、變壓器T和電抗器Li,組成低壓大電流電源(電流源),Lu和C組成的振蕩回路作為高壓源(電壓源),投入時刻由點火球隙Gap控制。試驗前,合閘斷路器QFh處于分閘位置,其它斷路器均處于閉合位置。QFh關合后,被試斷路器QFt有電流i1流過,隨即命令輔助斷路器QFa與被試斷路器QFt開斷,產(chǎn)生電弧。在電流過零前的某一時刻a令點火球隙Gap動作,電壓源電流i2也流過試品。被試斷路器的電流it=i1+i2。如圖5所示,使用這種并聯(lián)電流引入回路時,流過被試斷路器的電流在電流過零前不可避免地出現(xiàn)一些畸變,只要畸變不大并離開電流過零點較遠,即可認為對試驗的等價性影響不大;在b時刻輔助斷路器QFa中的電弧在電流i1過零時熄滅,電流源與電壓源脫離,從而保證電流源不受電壓源高電壓的危害;在c時刻,被試斷路器QFt中的電流i2過零,此時如果電弧熄滅,恢復電壓將自動加到被試斷路器上,恢復電壓的振幅通過C0,R0來調(diào)節(jié)。高壓電器的關合、開斷和短時電流耐受性能試驗是發(fā)展高壓電器的重要條件,它已形成一門技術,通常稱大容量試驗技術或強電流試驗技術。合成試驗方法憑借其自身的諸多優(yōu)點在開關電器試驗受到廣泛關注,作為直接試驗方法的替代和等價方法在國際和國內(nèi)得到了普遍認可。從20世紀30年代開始,世界各國提出了多種合成回路方案,一些國家建立了工業(yè)或半工業(yè)性試驗站。為研制新產(chǎn)品的需要,各國對合成試驗方法進行了深入研究,證明了合成試驗方法的等價性。與此同時,很多新的試驗室相繼建成,原有的試驗室也不斷進行擴建,相應地出現(xiàn)了關于高壓電器的試驗項目及各種特殊試驗。(1)IEC60056(