潘浩，楊謹(jǐn)銘，周仿榮，馬御棠，錢國超，馬儀

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

高壓開關(guān)是針對高壓、大電流進(jìn)行開斷的設(shè)備，通常用于額定電壓3 kV以上的設(shè)備開斷。高壓斷路器是一種常見的高壓開關(guān)，能夠控制輸電線路或電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)輸電線路或電力設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，斷路器繼電保護(hù)裝置發(fā)揮作用，將電力系統(tǒng)中發(fā)生故障的部分切除，防止故障范圍擴(kuò)大，確保未發(fā)生故障的部分能夠繼續(xù)正常運(yùn)行。高壓斷路器在電力系統(tǒng)中起到控制和保護(hù)的作用，而控制和保護(hù)要求反應(yīng)時(shí)間在ms級，因此斷路器的分/合閘時(shí)間和不同期性能影響著電力系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制和保護(hù)[1-6]。

DL/T 273—2012《±800 kV特高壓直流設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中對高壓斷路器的固有分/合閘時(shí)間規(guī)定：各斷口合閘不同期不大于3 ms，分閘不同期不大于2 ms。生產(chǎn)廠家一般也會規(guī)定斷路器的分/合閘時(shí)間。常規(guī)斷路器一般要求快速斷開線路故障，對合閘時(shí)間基本無要求，因此需要斷路器“快分慢合”。某些特殊用途的斷路器則相反，如串補(bǔ)旁路斷路器要求快速合閘保證串補(bǔ)設(shè)備旁路，對分閘時(shí)間基本無要求，此時(shí)需要斷路器“快合慢分”。無論常規(guī)斷路器和串補(bǔ)旁路斷路器，均對分/合閘時(shí)間作出要求，因此有必要對高壓斷路器的分/合閘時(shí)間和不同期進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

文獻(xiàn)[7]分析了斷路器不同接地方式的分/合閘時(shí)間測試原理，提出一端接地的分/合閘時(shí)間測試方法。一端接地?zé)o法準(zhǔn)確區(qū)分不同的開關(guān)狀態(tài)，且測試人員的安全存在隱患。斷路器一端接地情況下，實(shí)際是將測試儀的接地端與斷路器接地端相連，信號端與斷路器非接地端相連，通過測試接地端與信號端之間的通斷來判斷斷路器的分/合閘狀態(tài)，進(jìn)而測得斷路器的分/合閘時(shí)間。

文獻(xiàn)[8]提出斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測試方法，論述了兩端接地對于測試人員安全的重要性。若一端接地，則斷路器未接地的一端會因周圍架空線的磁場和電容耦合電流產(chǎn)生高壓，安全性無法保證。在斷路器的分/合閘時(shí)間測試中，為了提高測試的安全性，斷路器應(yīng)使用兩端接地的接地方式。高頻測試技術(shù)是斷路器兩端接地的分/合閘時(shí)間測試的常用方法。當(dāng)發(fā)射信號為高頻率交流信號時(shí)，2個(gè)接地點(diǎn)之間的電感增大，使得2個(gè)接地點(diǎn)之間的大地阻抗遠(yuǎn)大于合閘時(shí)斷路器的阻抗，測試儀可以準(zhǔn)確測得斷路器斷口的分合狀態(tài)。

文獻(xiàn)[9]研究雙斷口斷路器開斷速度對斷口電壓分布的影響，說明了提高分/合閘時(shí)間測量準(zhǔn)確性具有重要意義。不同測量回路接地隔離開關(guān)引線的長度、粗細(xì)等不同，會影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。為此，通常采用適當(dāng)提高測量功率的方法，在信號接收器接收的信號未達(dá)到飽和的前提下，增大輸出功率，使信號接收器更容易接收到有用信號。

在實(shí)際檢修試驗(yàn)過程中，作業(yè)管理部門會對作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行嚴(yán)格控制。為防止由于斷路器附近的帶電設(shè)備產(chǎn)生的感應(yīng)電給作業(yè)人員帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，通常會拉上斷路器一側(cè)接地隔離開關(guān)或在另一側(cè)加掛接地線。在斷路器兩端接地時(shí)，常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備通常無法對雙斷口斷路器的分/合閘時(shí)間進(jìn)行測量[10-11]。因此，有必要設(shè)計(jì)出一套能在雙斷口斷路器兩端接地的情況下進(jìn)行分/合閘時(shí)間測試的設(shè)備。本文提出將信號發(fā)射裝置和信號接收裝置夾于雙斷口短路器2個(gè)斷口的兩側(cè)，利用信號接收裝置來判斷斷路器的開斷；同時(shí)采集斷路器分/合閘線圈上的電壓信號，計(jì)算該電壓信號與斷路器斷口接地側(cè)的信號接收裝置采集到的電壓信號之間的時(shí)間差，進(jìn)而得到斷路器分/合閘的準(zhǔn)確時(shí)間。

1 雙斷口斷路器研究現(xiàn)狀

斷路器的分閘時(shí)間即全分閘時(shí)間，指的是斷路器的跳閘線圈加上電壓，接到跳閘指令的時(shí)刻起，到斷路器開斷直至電弧完全熄滅為止所需的時(shí)間。全分閘時(shí)間為固有分閘時(shí)間和燃弧時(shí)間之和。固有分閘時(shí)間是從斷路器接到跳閘指令到觸頭分離的一段時(shí)間；燃弧時(shí)間是從觸頭分離到電弧完全熄滅的時(shí)間。斷路器的合閘時(shí)間，指的是從合閘線圈加上電壓，接到合閘指令的時(shí)刻起，到斷路器主觸頭均接觸為止所需的時(shí)間。一般情況下，合閘時(shí)間大于分閘時(shí)間。

常見的斷路器有單斷口斷路器和雙斷口斷路器。雙斷口斷路器由于均壓電容的均壓作用，能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)斷口同時(shí)作用，切斷短路電流。相對于單斷口斷路器，雙斷口斷路器可以控制更高電壓等級的設(shè)備開斷。雙斷口斷路器通過斷口單元的串聯(lián)，降低各斷口上的電壓，從而降低弧隙恢復(fù)電壓。雙斷口將電弧分割成2個(gè)串聯(lián)的小電弧段，雙斷口比單斷口的電弧拉伸更長，弧隙電阻更大，從而使得介質(zhì)恢復(fù)速度增大，分/合閘速度提高。

文獻(xiàn)[12]開發(fā)了一種1 100 kV雙斷口斷路器，成功完成了在絕緣、開斷和機(jī)械性能等方面的型式試驗(yàn)。雙斷口提高了斷路器的電壓等級，不僅可以滿足斷路器穩(wěn)定性、速度特性等要求，同時(shí)控制了成本。多斷口斷路器各端口的電壓分布可能不完全相同，但多斷口斷路器的開斷能力是單斷口斷路器的2倍以上。在實(shí)際的運(yùn)行中，雙斷口斷路器具有較為廣泛的應(yīng)用。

2 雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測試

2.1 分/合閘時(shí)間測試原理及方法

雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測試的原理如圖1所示。

圖1 雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測試原理

測試原理為：雙斷口斷路器的每個(gè)斷口、斷路器兩側(cè)接地隔離開關(guān)、斷路器公共點(diǎn)接地引線和接地網(wǎng)組成回路，在該回路上裝設(shè)信號發(fā)射器和信號接收器，斷路器的開斷過程中信號接收器接收到信號的中斷則表示斷路器的開斷[13-14]。

試驗(yàn)方法為：將斷路器公共點(diǎn)加掛接地線，將信號發(fā)射器夾于該接地線上，信號發(fā)射器的電壓信號同時(shí)接至斷路器分/合閘線圈；同時(shí)將信號接收器1和信號接收器2夾于雙斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開關(guān)引線上；雙斷口斷路器各個(gè)斷口、接地隔離開關(guān)、接地網(wǎng)及斷路器公共點(diǎn)接地線分別組成2個(gè)回路。夾于斷路器公共點(diǎn)接地引線上的信號發(fā)射器相當(dāng)于變壓器的原邊線圈，夾于雙斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開關(guān)引線上的信號接收器相當(dāng)于變壓器的副邊線圈，實(shí)際測量時(shí)采用鉗形電流表[15-16]。用高壓鉗形表進(jìn)行測量時(shí)，應(yīng)由2人操作，操作人員站在絕緣墊上，不得觸及其他設(shè)備，以免發(fā)生短路或接地。

2.2 雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間信號獲取

DL/T 402—2016《高壓交流斷路器》中關(guān)于斷路器分閘時(shí)間的定義為：從接到跳閘指令到斷路器開斷至三相電弧完全熄滅所需要的全部時(shí)間，稱為全分閘時(shí)間，等于固有分閘時(shí)間與燃弧時(shí)間之和。固有分閘時(shí)間是指從斷路器接到跳閘指令到觸頭剛剛分離的時(shí)間，燃弧時(shí)間是指從觸頭剛剛分離到電弧完全熄滅的時(shí)間。

DL/T 402—2016《高壓交流斷路器》中關(guān)于斷路器合閘時(shí)間的定義為：分閘位置的斷路器從合閘回路帶電時(shí)刻到所有極的觸頭都接觸時(shí)刻的時(shí)間間隔。因此測量合閘時(shí)間的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)包括合閘回路帶電時(shí)刻和所有極的觸頭都接觸時(shí)刻[17]，對關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)測量的準(zhǔn)確性直接決定斷路器分/合閘時(shí)間測試的精度。

分/合閘回路帶電時(shí)刻信號獲?。含F(xiàn)場進(jìn)行斷路器分/合閘時(shí)間測試時(shí)，分/合閘信號是從分/合閘線圈的二次端子側(cè)施加，因此只需在分/合閘線圈的控制端夾上電流鉗，并將電流鉗接至示波器即可。

斷路器所有極的觸頭都接觸時(shí)刻信號獲?。簩τ陔p斷口斷路器兩側(cè)不接地的情形，斷路器合閘信號的獲取方式為測量斷口兩側(cè)通斷狀態(tài)[18]。對于兩端接地的雙斷口斷路器而言，上述方式已不適用。對此，可采取利用接地網(wǎng)連通形成回路的方式進(jìn)行測量[19]。在斷路器合閘狀態(tài)下，信號接收器的采樣線圈中存在感應(yīng)電流；在斷路器的分閘狀態(tài)下，信號接收器的采樣線圈中無電流。此時(shí)，當(dāng)夾于斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開關(guān)引線上的信號接收器接收到電流信號時(shí)表示斷路器合閘完畢[20]。將夾于斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開關(guān)引線上的信號接收器和合閘線圈上的鉗形電流表接至同一臺示波器，通過信號的時(shí)間對比即可獲取合閘時(shí)間。當(dāng)夾于斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開關(guān)引線上的信號接收器接收到電流信號突然消失表示斷路器分閘完畢。將夾于斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開關(guān)引線上的信號接收器和分閘線圈上的鉗形電流表接至同一臺示波器，通過信號的時(shí)間對比即可獲取分閘時(shí)間。

3 基于EMTP-ATP的雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測試仿真

為驗(yàn)證本文所提雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測試方法的正確性，采用EMPT-ATP電磁仿真軟件進(jìn)行仿真。

3.1 合閘時(shí)間測試

雙斷口斷路器兩側(cè)接地時(shí)分/合閘時(shí)間測試仿真的電路模型如圖2所示。采用電壓10 V、頻率50 Hz的電壓源模擬現(xiàn)場試驗(yàn)中的信號發(fā)射器[21]；采用2臺電流互感器(current transformer，CT)CT1、CT2模擬現(xiàn)場試驗(yàn)中的信號接收器；設(shè)置2臺斷路器Bk1和Bk2模擬雙斷口斷路器的2個(gè)斷口，其中Bk1和Bk2的合閘時(shí)間分別設(shè)置為70 ms和73 ms；雙斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開關(guān)與接地網(wǎng)之間的接觸電阻設(shè)置為0.5 Ω[9]。

圖2 雙斷口斷路器兩側(cè)接地時(shí)分/合閘時(shí)間測試仿真電路圖

仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鯟T1在70 ms時(shí)刻采集到電流信號，CT2在73 ms時(shí)刻采集到電流信號，均與設(shè)定參數(shù)相符，驗(yàn)證了該測試方法正確有效。

圖3 雙斷口斷路器兩側(cè)接地時(shí)合閘時(shí)間測試仿真結(jié)果

3.2 分閘時(shí)間測試

由于分閘后電流波形仍在回路上繼續(xù)傳播，為減小測量誤差，分閘時(shí)間測試時(shí)的信號源應(yīng)采用高頻信號。電路模型如圖2所示。采用電壓10 V、頻率1 000 Hz的電壓源模擬現(xiàn)場試驗(yàn)中的信號發(fā)射器；采用CT模擬現(xiàn)場試驗(yàn)中的信號接收器；設(shè)置2臺斷路器Bk1和Bk2模擬雙斷口斷路器的2個(gè)斷口，其中Bk1和Bk2的分閘時(shí)間分別設(shè)置為17 ms和19 ms；雙斷口斷路器兩側(cè)接地隔離開關(guān)與接地網(wǎng)之間的接觸電阻設(shè)置為0.5 Ω。

仿真結(jié)果如圖4所示。可以看出CT1在17 ms時(shí)刻采集到的電流信號中斷，CT2在19 ms時(shí)刻采集到的電流信號中斷，與設(shè)定參數(shù)相符，驗(yàn)證了該測試方法正確有效。

圖4 雙斷口斷路器兩側(cè)接地時(shí)分閘時(shí)間測試仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出兩端接地情況下的雙斷口斷路器分/合閘時(shí)間測試方法，并對該方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)論如下：

a)在雙斷口斷路器兩端接地的情況下，本文提出的分/合閘時(shí)間測試方法有效，能滿足現(xiàn)場測試的精度需求；

b)由于分閘后電流波形仍在回路上繼續(xù)傳播，為減小測量誤差，分閘時(shí)間測試時(shí)的信號源應(yīng)采用高頻信號。

上述雙斷口斷路器兩端接地時(shí)分/合閘時(shí)間測試方法，可滿足雙斷口斷路器兩端接地情況下的檢修、預(yù)試需求，降低作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。