高压断路器开断与关合试验方法的发展与现状

高压断路器开断与关合试验方法的发展与现状

高压装置的误差和关合试验内容广泛。除沟通部级高压装置国家标准gb1984-2003中规定的测试点、输出端短路误差开孔和关合试验、附近误差开孔试验和线路充电流开孔试验（空线路开孔试验）外，还包括失步短路开孔和关合试验、单组和联合电压公司的开孔和关合试验。对于开断和关合能力的试验方法,按照试验电路分类,可以分为直接试验和合成试验。(1)直接试验方法是一种短路试验方法,其中外试电压,电流,瞬态及工频恢复电压全部取自一个电源回路。该回路可以是电力系统、短路试验发电机或者两者的联合。在一定的使用范围内,也可以是充电的电容器对电抗器放电的LC单频振荡回路,试验回路的外施电压及工频恢复电压与该电源的电压相当。(2)合成回路试验法也是一种短路试验,是间接的试验方法,其中大部分电流或者全部电流取自一个电源(电流回路),而大部分或者全部的试验电压取自另一个或更多的独立电源(电压回路)。在电力系统中进行现场试验受到电网条件约束的影响,且试验参数不易调整;由于每次短路试验对电力系统都会带来一定的冲击,试验次数和容量受到很大限制。目前绝大多数开断与关合试验在实验室中进行。对试验系统的要求是:试验参数便于调节和测量,试验效率高,试验次数不受限制,适用于新产品的研究和试制,而且可以进行高压断路器的型式试验。1短路修复与封闭试验设备及试验参数的测量高压断路器的短路开断与关合试验的两种实现方式:直接在电网进行、冲击发电机做电源。1.1保护环路原理利用电网可直接对断路器进行短路电流的开断与关合以及其它试验,通常称为网络试验或现场试验。这种方法最符合应用时的实际情况,试验时把被试断路器接到电网上,人为地造成电网短路故障,进行断路器的开断与关合试验。网络试验的基本接线方式如图1所示。图中B为母线进线,T为变压器,用来为试品提供工频恢复电压,QFb为保护断路器,QFh为合闸断路器,L为电抗器,用来调节短路电流,QFt为被试断路器,C0和R0为用来调节瞬态恢复电压的调频电容和调频电阻。网络试验的主要设备如变压器、电抗器和断路器等都是特殊设计的,能够经常耐受短路电流的冲击,而且电压、电流和恢复电压等试验参数便于调节,试验也比较方便。网络试验的优点是不需要专门的电源投资,试验条件符合断路器的实际使用状况,试验的等价性好。网络试验的电流受电力系统短路容量的限制,只能试验开断容量在一定范围的断路器,瞬态恢复电压不易调整,每次短路试验相当于电网发生一次短路故障,影响相邻用户的正常用电,而且线路中的设备经常受到短路电流的冲击,影响使用寿命。1.2发电机及短路发电机由于网络试验存在上述限制,可以采用专供短路开断和关合试验用的同步发电机作为试验电源,这种发电机称为冲击发电机或短路发电机。利用冲击发电机进行断路器短路关合与开断试验的原理如图2所示,图中M为电动机,G为短路发电机,GE为励磁机,T为变压器,用来改变工频恢复电压,QFb为保护断路器,QFh为合闸断路器,QFt为被试断路器,C0和R0为用来调节瞬态恢复电压的调频电容和调频电阻。进行短路开断试验时,有两种操作方法。(1)突然泄漏2短路电流开断试验一般电力开关电器由于断流能力很大,不能直接在电网上进行试验。高压合成回路则是一种用于高压断路器分断能力试验的经济有效的试验装置。分析如图3所示的开断过程中的电流、电压示波图可以看出:电弧熄灭以前,弧隙上的电压很低,主要为线路阻抗上的压降;电流过零前后,电流很小,但过零后加在弧隙上的恢复电压很高。可见断路器在开断过程中,大电流和高电压并不是同时出现在弧隙上的。基于以上特点,进行短路电流开断试验时可以采用两套相对独立的电源。由低压大电流源构成短路电流回路,简称电流源;由小电流高电压电源构成电压回路,简称电压源。用以上两个电源代替原来单独的高电压、大电流电源,并由同步控制装置在电流过零区合成。这一试验系统被称为合成(试验)回路,并称该试验方法为合成试验法。合成回路的电流源可以直接取自电网,也可以是冲击发电机或振荡回路,电压源一般都采用振荡回路。合成回路虽然需要两套电源,但是每套电源的容量都相对较小,总的设备投资要比直接试验小得多,而且合成试验的等价性已经得到公认,在相关的IEC标准和国家标准中都有明确体现。3高压滤波器试验与其它试验条件和试验方法高压断路器现有的试验标准主要包括IEC、IEEE制定的一些国际或者区域标准,以及各个国家根据自己电力发展状况制定的一些国家标准。国际电工委员会IEC制定和推荐的标准为各国广泛接受。国际市场上的电工产品以及国际招标大多以IEC标准所规定的性能指标为订货要求。1969年IEC的各成员国一致在各个国家标准中尽可能完整地采用IEC推荐的标准。我国制定高压电器产品国家标准以及试验标准也是尽量和IEC标准接近。己经制定的标准不是固定不变的。随着电网的发展和技术的进步,对电器产品的运行条件不断发现和提出新的要求,产品的结构和性能也在发展进步,对试验条件和试验方法不断提出新的课题。这些课题常常先在国际大电网会议(CIGRE)所属的学术组织中研讨。与高压断路器试验有关的IEC标准和我国的国家标准包括:(4)GB1984-2003,交流高压断路器.其中IEC62271-100(2001)是关于IEC60056(1987)的第5版,我国国家标准GB1984-2003是对GB1984-1989《交流高压断路器》的全面修订,其内容基本保持了与IEC62271-100的一致性,又由于我国电网状况和电器设备自身的特点具有一定的差别。由于合成试验方法具有经济、灵活、对试品破坏性小以及参数易于调节的特点,因此被广泛采用作为高压电器产品型式试验和验证试验。进行大功率试验的专用高电压、大功率设施又称为高电压强电流试验站,它是用以研发高压开关设备,尤其是高压断路器的主要设施。大功率试验站的类型有网络试验站、冲击发电机试验站和振荡回路试验站。它们既可以单独运行,又可以相互配合进行多种类型的试验。启动电动机M和GE励磁机,使发电机G的转速达到额定转速后,调节发电机的励磁电流,使发电机的电压达到额定值。然后,突然切断电动机的电源,并使合闸断路器接通试验回路,这时被试断路器开断进行短路电流开断试验。该试验利用发电机转子和飞轮具有的动能,保证试验时发电机电压和转速基本稳定。(2)冲击发电机用于开断试验试验前利用合闸断路器先将试验电路与短路发电机接通,当冲击发电机达到额定转速时突然加上冲击励磁电流,这时发电机的电压和短路电流由零开始急速上升,等增加到所需值时令被试断路器开断,进行短路电流开断试验。由于冲击励磁电流可达到正常励磁电流的十几倍,必须迅速使励磁绕组去磁,否则发电机电压过高会导致绕组绝缘受到损坏。利用冲击发电机可以进行三相短路电流的开断试验,它的等价性好、运行方式比较灵活、参数易于调节、试验次数和时间不受限制;还可以进行自动重合闸试验,动、热稳定试验、近区故障和其它开断试验。建立装有冲击发电机的试验室投资巨大,运行、维护工作量大,操作复杂;用作直接试验时,容量仍然受到限制。此外,电压等级超过40.5kV时,系统恢复电压的参数满足不了指标要求,因此,冲击发电机常常作为合成试验中的电流源使用。在最近半个世纪的时间里,人们对很多合成试验方法及其工作状况进行了研究。根据相互作用阶段被试断路器上电源的作用情况,可将合成试验方法分为两大类型。(1)电压输入电路电流源提供电流过零前的大电流以及电流刚过零时的高电压,电压源提供紧随其后的高电压。(2)振荡回路点火焰隙电流源提供电流过零前的大电流,电压源在电流过零前已经作用在试品断路器上,电压源也提供部分电流。电流过零时,电压源提供的恢复电压立即自动作用在断路器上。普遍认为电流过零前几百微秒时电弧电阻大,由于电流源的电压较低,电流难以保持正弦形状而出现一定的畸变。只有在电流过零前几百微秒时就让电压源投入工作才能保证被试断路器的电弧过程与实际电网中的开断过程基本一致,可以看出电流引入回路的等价性更好一些。采用电流引入方式的合成回路通常称为威尔(Weil-Dobke)回路,图4为威尔合成回路的接线原理图。短路发电机G、变压器T和电抗器Li,组成低压大电流电源(电流源),Lu和C组成的振荡回路作为高压源(电压源),投入时刻由点火球隙Gap控制。试验前,合闸断路器QFh处于分闸位置,其它断路器均处于闭合位置。QFh关合后,被试断路器QFt有电流i1流过,随即命令辅助断路器QFa与被试断路器QFt开断,产生电弧。在电流过零前的某一时刻a令点火球隙Gap动作,电压源电流i2也流过试品。被试断路器的电流it=i1+i2。如图5所示,使用这种并联电流引入回路时,流过被试断路器的电流在电流过零前不可避免地出现一些畸变,只要畸变不大并离开电流过零点较远,即可认为对试验的等价性影响不大;在b时刻辅助断路器QFa中的电弧在电流i1过零时熄灭,电流源与电压源脱离,从而保证电流源不受电压源高电压的危害;在c时刻,被试断路器QFt中的电流i2过零,此时如果电弧熄灭,恢复电压将自动加到被试断路器上,恢复电压的振幅通过C0,R0来调节。高压电器的关合、开断和短时电流耐受性能试验是发展高压电器的重要条件,它已形成一门技术,通常称大容量试验技术或强电流试验技术。合成试验方法凭借其自身的诸多优点在开关电器试验受到广泛关注,作为直接试验方法的替代和等价方法在国际和国内得到了普遍认可。从20世纪30年代开始,世界各国提出了多种合成回路方案,一些国家建立了工业或半工业性试验站。为研制新产品的需要,各国对合成试验方法进行了深入研究,证明了合成试验方法的等价性。与此同时,很多新的试验室相继建成,原有的试验室也不断进行扩建,相应地出现了关于高压电器的试验项目及各种特殊试验。(1)IEC60056(