林忠立

（國(guó)網(wǎng)福建檢修公司，福建 福州350000）

高壓斷路器作為合分電流的重要變電設(shè)備，需要定期停電進(jìn)行合、分閘時(shí)間及相間同期性的時(shí)間特性試驗(yàn)。傳統(tǒng)的斷路器時(shí)間特性測(cè)試方法要求斷開(kāi)斷路器一側(cè)的地刀，隨著變電站電壓等級(jí)越來(lái)越高，變電設(shè)備感應(yīng)電傷人和高處作業(yè)人身墜落的風(fēng)險(xiǎn)也越發(fā)突出。變電安規(guī)要求斷路器在檢修狀態(tài)時(shí)，斷路器兩端需有效接地，而傳統(tǒng)的斷路器時(shí)間特性測(cè)試方法要求斷開(kāi)斷路器一側(cè)地刀，給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試造成了安全隱患，因此研究雙端接地條件下的斷路器時(shí)間特性具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 斷路器單端接地時(shí)間特性的測(cè)試方法

傳統(tǒng)斷路器特性測(cè)試原理如圖1，斷路器特性測(cè)試儀在斷路器斷口兩端施加一個(gè)電壓等級(jí)較低的直流電壓。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，信號(hào)回路處于斷開(kāi)狀態(tài)。測(cè)試儀器向斷路器的合閘控制回路發(fā)出220V的脈沖電壓時(shí)，測(cè)試儀的計(jì)算機(jī)開(kāi)始同步計(jì)時(shí)。斷路器控制回路收到脈沖信號(hào)，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)合閘過(guò)程，一段時(shí)間后，斷路器動(dòng)靜觸頭良好接觸，合閘過(guò)程結(jié)束，接在斷口兩端的信號(hào)回路接通，測(cè)試儀的計(jì)算機(jī)結(jié)束計(jì)時(shí)。從測(cè)試儀發(fā)出合閘脈沖電壓，到測(cè)試儀的信號(hào)回路接通的過(guò)程所需的時(shí)間就是斷路器的合閘時(shí)間。分閘時(shí)間測(cè)試同樣采取斷路器特性測(cè)試信號(hào)回路合閘“1”狀態(tài)到分閘“0”狀態(tài)的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。

2 傳統(tǒng)斷路器時(shí)間特性測(cè)試方法的安全風(fēng)險(xiǎn)

變電站接地網(wǎng)主要以銅網(wǎng)構(gòu)成，斷路器兩側(cè)地刀的導(dǎo)通電阻一般小于50mΩ，因此不論斷路器本身處于合閘狀態(tài)還是分閘狀態(tài)，斷路器特性測(cè)試儀接在斷路器斷口兩端的信號(hào)回路均可以通過(guò)地網(wǎng)導(dǎo)通，儀器判斷斷路器始終處于合閘狀態(tài)。傳統(tǒng)的斷路器時(shí)間特性測(cè)試要求信號(hào)回路的通斷狀態(tài)在斷路器合分前后必須發(fā)生顯著變化，兩端接地條件下的斷路器無(wú)法開(kāi)展時(shí)間特性測(cè)試。

為了能夠測(cè)到斷路器斷口的分合狀態(tài)，必須把一側(cè)的地刀拉開(kāi)，此時(shí)臨近帶電間隔對(duì)處于檢修的斷路器產(chǎn)生感應(yīng)電壓可達(dá)到20kV，甚至更高，造成高壓感應(yīng)電傷人的風(fēng)險(xiǎn)，安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)如圖2。

圖2 斷路器單端接地時(shí)的感應(yīng)電風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于GIS斷路器，單端接地的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)則更大。因?yàn)镚IS的斷路器、刀閘、地刀的主體部分均位于GIS罐體內(nèi)，信號(hào)回路測(cè)試線無(wú)法直接連到斷路器兩端的斷口。在檢修狀態(tài)下，隔離開(kāi)關(guān)將斷路器與母線、線路間隔隔離后，斷路器通過(guò)兩側(cè)的地刀由GIS金屬殼體的接地端子與地網(wǎng)相連。傳統(tǒng)測(cè)試方法要求在地刀合閘狀態(tài)下拆除一側(cè)地刀裸露在殼體外部的接地片，此時(shí)該側(cè)地刀的分合閘狀態(tài)機(jī)械指示仍然為合閘狀態(tài)，導(dǎo)致了地刀分合閘位置指示與實(shí)際情況不符的安全隱患。

3 雙端接地條件下時(shí)間特性的幾種方法對(duì)比

鑒于單端接地條件下斷路器時(shí)間特性測(cè)試存在安全風(fēng)險(xiǎn)，目前業(yè)內(nèi)已探索出幾種新的斷路器時(shí)間特性測(cè)試，這些方法能夠有效解決雙端接地條件下斷路器斷口狀態(tài)的識(shí)別問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，以下著重介紹三種測(cè)試方法的原理、應(yīng)用范圍及不足。

3.1 并聯(lián)電阻法

雙端接地時(shí)，斷路器在分合狀態(tài)下與地網(wǎng)的并聯(lián)電阻會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)并聯(lián)電阻的變化可用來(lái)分析開(kāi)關(guān)的分合時(shí)間，這種方法稱(chēng)為并聯(lián)電阻法，測(cè)試原理如圖3。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)將儀器的20A直流恒流源與斷路器的主觸頭和地網(wǎng)構(gòu)成回路，電壓采樣單元分析通道并聯(lián)在斷路器斷口兩端。當(dāng)斷路器分閘時(shí)，斷口兩端電壓為20V恒流源在地網(wǎng)上的電壓降。而斷路器合閘時(shí)，斷路器電阻與地網(wǎng)電阻并聯(lián)，開(kāi)關(guān)電阻是μΩ級(jí)而地網(wǎng)電阻是mΩ級(jí)，此時(shí)恒流源在二者并聯(lián)電阻上的電壓降將減小。斷路器合分時(shí)，特性測(cè)試以通過(guò)觀察電壓采樣單元錄制的波形變化起始點(diǎn)，即可判斷出和分閘動(dòng)作時(shí)的剛分、剛合點(diǎn)。

圖3 并聯(lián)電阻法測(cè)試時(shí)間特性的原理

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，該方法在敞開(kāi)式斷路器上取得了很好的效果，如圖4。但在GIS斷路器上，這種方法難以取得令人滿(mǎn)意的結(jié)果。GIS兩端接地時(shí)，除了考慮地網(wǎng)的影響外還需要考慮GIS殼體電阻。以新東北ZHW-550型斷路器為例，使用回路電阻儀對(duì)GIS斷路器分、合閘狀態(tài)下兩端回路電阻進(jìn)行測(cè)試。分閘狀態(tài)下，殼電阻與地網(wǎng)電阻的并聯(lián)值為240μΩ，而在合閘狀態(tài)下，回路電阻值為60μΩ，分合閘狀態(tài)下兩者都是μΩ級(jí)，嘗試將恒流源從20A加大到60A，斷路器兩端的電壓降變化范圍仍?xún)H為3.6mV到14mV，分合狀態(tài)下電壓降太小，且波形幅值與信號(hào)噪聲幅值接近，電壓采樣單元上無(wú)法看出明顯的波形變化，電壓波形上難以找到斷路器斷開(kāi)和閉合的閾值。

圖4 敞開(kāi)式斷路器測(cè)試波形

若繼續(xù)加大恒流源電流，一方面大直流電流測(cè)試不安全，另一方面大容量直流電源現(xiàn)場(chǎng)使用極為不便。對(duì)各類(lèi)型號(hào)的斷路器進(jìn)行測(cè)試，此種方法只適用于敞開(kāi)式斷路器雙端接地下的時(shí)間測(cè)試，并不適用于大多數(shù)GIS斷路器。

3.2 電磁感應(yīng)法

斷路器處于檢修狀態(tài)時(shí)，斷路器、兩側(cè)地刀、地網(wǎng)及之間的導(dǎo)線組成一個(gè)斷路器地網(wǎng)回路。利用交流電流電磁感應(yīng)的原理，可以在斷路器地網(wǎng)回路內(nèi)增加一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)電流采樣器。通過(guò)電流采樣器采集信號(hào)發(fā)生器在斷路器地網(wǎng)回路內(nèi)電流通斷的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，配合斷路器特性測(cè)試發(fā)出分合閘脈沖的時(shí)間，得出斷路器分合閘時(shí)間的測(cè)試方法稱(chēng)之為電磁感應(yīng)法，接線原理見(jiàn)圖5。圖中的信號(hào)發(fā)生器和電流采樣器為常見(jiàn)的鉗形電流傳感器。將這兩個(gè)鉗形電流表卡入斷路器一端的地刀處，或GIS地刀的接地片處，一個(gè)鉗形電流表作為信號(hào)發(fā)生器，另一個(gè)鉗形電流表作為電流采樣器。

圖5 電磁感應(yīng)法測(cè)試時(shí)間特性的原理

在斷路器合閘狀態(tài)下，信號(hào)發(fā)生器在斷路器地網(wǎng)回路內(nèi)感應(yīng)出一個(gè)電流，電流采樣器能夠采樣到這個(gè)交變電流，當(dāng)斷路器特性測(cè)試儀發(fā)出分閘命令，斷路器地網(wǎng)回路斷開(kāi)，電流采樣器將無(wú)法采集到信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的交變電流，就可以監(jiān)測(cè)斷路器地網(wǎng)回路內(nèi)斷開(kāi)過(guò)程。對(duì)測(cè)試到的感應(yīng)電流波形錄播分析，電流波形開(kāi)始建立的時(shí)刻就是斷路器觸頭合閘的時(shí)刻，開(kāi)始消失的時(shí)刻就是斷路器觸頭分?jǐn)嗟臅r(shí)刻。配合分、合閘控制回路通電時(shí)間，就可以確定斷路器的分、合閘時(shí)間[1]。

這種方法在敞開(kāi)式斷路器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中取得了較好的效果，在部分GIS斷路器上也進(jìn)行了成功應(yīng)用，但仍遇到了不少問(wèn)題：一是變電站內(nèi)電磁干擾對(duì)電磁感應(yīng)法的影響，如某變電站開(kāi)關(guān)場(chǎng)電磁干擾較多，信號(hào)采集器采集的信號(hào)質(zhì)量較差，反復(fù)調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出功率和采集器的判斷閾值后，最終能夠得出和傳統(tǒng)方法一致的數(shù)據(jù)，但過(guò)程耗費(fèi)了大量時(shí)間；二是鉗形電流表的尺寸與GIS接地片不匹配，由于需要較大的信號(hào)感應(yīng)接收功率，該型儀器的鉗形電流表配置較大，常常造成無(wú)法穿進(jìn)GIS罐體接地端子與接地片之間的空間；三是變電站地網(wǎng)、斷路器兩側(cè)地刀直阻對(duì)測(cè)試的影響，信號(hào)發(fā)生器電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流不大，當(dāng)斷路器地網(wǎng)回路內(nèi)地網(wǎng)電阻較大或GIS地刀電阻較大時(shí)，信號(hào)接收器采集的電流更小，加大了判定斷路器分、合閘的時(shí)間點(diǎn)界定的難度。

3.3 可變電容法

當(dāng)斷路器的動(dòng)觸頭與靜觸頭分離后，斷路器的斷口可以看成是一個(gè)可變電容[2]。動(dòng)靜觸頭分離瞬間，斷口間的電容是無(wú)窮大的，而隨著動(dòng)觸頭與靜觸頭距離逐漸增大，電容值逐漸減小，因此斷路器斷口的電路模型可等效為一個(gè)可變電容，這個(gè)可變電容與斷路器兩側(cè)地刀及相應(yīng)的斷路器特性測(cè)試儀，可構(gòu)成一個(gè)包含電阻和電容的RC回路，如圖6所示。在特定頻率下，這個(gè)RC回路可達(dá)到諧振狀態(tài)，利用RC回路在斷路器分合閘過(guò)程中，諧振點(diǎn)破壞及建立時(shí)間進(jìn)行斷路器時(shí)間特性測(cè)試的方法稱(chēng)之為可變電容法。

圖6 斷路器分、合閘可變電容模型

可變電容法是在斷路器兩端接入一個(gè)頻率可調(diào)節(jié)的高頻電壓源，當(dāng)斷路器合閘時(shí)，調(diào)節(jié)電壓源的頻率，使整個(gè)RC回路達(dá)到并聯(lián)諧振的狀態(tài)，此時(shí)回路中電流值達(dá)到最小。當(dāng)斷路器分閘時(shí)，回路中增加了一個(gè)很大的斷口電容，諧振條件被破壞，電流值迅速增大。斷路器特性測(cè)試儀通過(guò)計(jì)算分閘脈沖發(fā)出時(shí)刻到RC回路諧振破壞時(shí)刻的時(shí)間差，就可以得出斷路器的分閘時(shí)間。合閘時(shí)間則是儀器向斷路器合閘回路發(fā)出合閘脈沖到斷路器合閘的時(shí)間差。

為了驗(yàn)證可變電容法的準(zhǔn)確性，分別采用了單端接地方法和雙端接地方法對(duì)LWG9-252GIS斷路器進(jìn)行了分、合閘時(shí)間和同期性測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)將可變高頻電源接在GIS斷路器兩端地刀的接地片上，可變電容法雙端接地測(cè)試數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)單端試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1?？勺冸娙莘ǖ臏y(cè)試數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)單端接地的方法在數(shù)據(jù)上是吻合的，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，現(xiàn)場(chǎng)操作也比較簡(jiǎn)單方便。

表1 可變電容法時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法對(duì)比（單位：ms）

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了可變電容法在個(gè)別GIS應(yīng)用上還存在一些不足。若地網(wǎng)導(dǎo)通電阻（還包含了GIS殼電阻）與斷路器斷口間的電容并聯(lián)構(gòu)成的RC回路中，回路的阻抗R非常小，將使得斷口電容對(duì)諧振的破壞不明顯，導(dǎo)致的電流上升不顯著，儀器難以正確判斷分閘瞬間。尤其是GIS制造廠往往設(shè)計(jì)斷路器兩側(cè)地刀通過(guò)多個(gè)接地片與GIS殼體接地，使得整個(gè)RC回路的阻值將進(jìn)一步降低。

3.4 不同方法間對(duì)比

對(duì)某省550kV變電站12臺(tái)500kV敞開(kāi)式斷路器、12臺(tái)220kV敞開(kāi)式斷路器、16臺(tái)500kV GIS斷路器、12臺(tái)220kV GIS斷路器分別運(yùn)用上述3種新型測(cè)試方法和傳統(tǒng)測(cè)試方法開(kāi)展了對(duì)比測(cè)試，并聯(lián)電阻法、電磁感應(yīng)法和可變電容法在敞開(kāi)式斷路器上測(cè)試均取得了較好的成績(jī)，但在GIS上的應(yīng)用則均有提升空間，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 3種新型測(cè)試方法的應(yīng)用效果對(duì)比

4 利用鐵氧體磁鐵改進(jìn)可變電容法

對(duì)雙端接地條件下GIS斷路器時(shí)間特性幾種測(cè)試方法的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，可變電容法相較于并聯(lián)電阻法和電磁感應(yīng)法有不小的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)有的問(wèn)題在于如何有效提高RC回路的高頻信號(hào)阻抗。經(jīng)過(guò)對(duì)可變電容法原理的思考和多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后成功利用鐵氧體磁鐵解決了這一問(wèn)題。

4.1 鐵氧體磁鐵原理及作用

鐵磁材料有外磁場(chǎng)時(shí)，磁疇因受外磁場(chǎng)作用而順著外磁場(chǎng)的方向發(fā)生歸順性重新排列，在內(nèi)部形成一個(gè)很強(qiáng)的附加磁場(chǎng)。鐵磁材料反復(fù)磁化一周所構(gòu)成的曲線稱(chēng)之為磁滯回線。磁滯回線中磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總是落后于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化說(shuō)明鐵磁材料具有磁滯性，而磁滯回線中磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度并不為零的現(xiàn)象說(shuō)明鐵磁材料具有剩磁性。

鐵氧體磁鐵主要由鐵氧體構(gòu)成，并利用高導(dǎo)磁性材料滲合一種或多種鎂、鋅、鎳等金屬在1200℃燒聚而成，制造工藝和機(jī)械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色[3]。相較于普通鐵磁材料，用于抑制高頻信號(hào)的鐵氧體磁鐵具有很高的導(dǎo)磁率，影響其性能最重要的參數(shù)是導(dǎo)磁率和飽和磁通密度。飽和磁通密度是指用于磁通密度上的電流增加到一個(gè)點(diǎn)而鐵芯的磁通卻不增加的現(xiàn)象，鐵芯飽和會(huì)導(dǎo)致激磁電流增大，鐵芯發(fā)熱。在功率計(jì)算模型中，鐵氧體磁環(huán)等效電路由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)[4]。以A05型鐵氧體為例，其整體阻抗頻率曲線見(jiàn)圖7。當(dāng)導(dǎo)線穿過(guò)這種鐵氧體時(shí)，所構(gòu)成的電感阻抗在形式上隨著頻率的升高而增加[4]。因此，鐵氧體磁鐵能夠?qū)⒋┻^(guò)其的高頻信號(hào)能量轉(zhuǎn)化為熱能損耗，起到低通濾波器的作用。生活中鐵氧體常用于各類(lèi)電子信號(hào)傳輸線，制造成圓柱體環(huán)狀將信號(hào)傳輸線包裹起來(lái)，起到濾波抗干擾的作用。

圖7 A05型鐵氧體磁鐵阻抗頻率曲線

4.2 鐵氧體磁鐵在可變電容諧振法上的作用

可變電容諧振法使用了高頻交流電作為測(cè)試電源，存在的主要不足是當(dāng)GIS斷路器地刀通過(guò)較多接地片與外殼相連，或GIS殼電阻、地網(wǎng)電阻過(guò)小時(shí)，斷路器地網(wǎng)RC回路的阻抗過(guò)小。為解決這一問(wèn)題，可在地刀的多個(gè)接地片周?chē)h(huán)繞鐵氧體，利用鐵氧體磁環(huán)提高其所環(huán)繞的導(dǎo)體的阻抗，增加接地回路中的高頻阻抗，提高RC回路的整體阻抗，如圖8所示。

圖8

在可變電容諧振法測(cè)試過(guò)程中增加鐵氧體磁鐵后，同樣對(duì)16臺(tái)500kV GIS斷路器、12臺(tái)220kV GIS斷路器進(jìn)行測(cè)試，28臺(tái)GIS斷路器中有27臺(tái)測(cè)試成功，應(yīng)用成功率從85.71%提升至96.43%。一臺(tái)220kVGIS斷路器由于接地片與GIS殼體之間幾乎沒(méi)有空間，而無(wú)法將足夠厚度鐵氧體磁鐵環(huán)繞住地刀，因此無(wú)法完成測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

一側(cè)接地條件下開(kāi)展斷路器時(shí)間特性測(cè)試，不可避免地帶來(lái)了感應(yīng)電傷人等安全隱患，通過(guò)積極采用并聯(lián)電阻法、電磁感應(yīng)法和可變電容法等雙端接地條件下斷路器時(shí)間特性測(cè)試的新方法，測(cè)試人員可最大限度減少一側(cè)接地的工作環(huán)境，對(duì)比三種創(chuàng)新測(cè)試方法，可變電容法具有更高的應(yīng)用成功率，配合鐵氧體磁鐵改進(jìn)措施后，能夠基本取代傳統(tǒng)的測(cè)試方法。GIS斷路器采用雙端接地測(cè)試方法后，測(cè)試人員不需要再拆除地刀的接地片，減少了高處墜落的風(fēng)險(xiǎn)，也有效節(jié)省了測(cè)試時(shí)間。