郭成功

（甘肅電器科學(xué)研究院/甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點實驗室，甘肅 天水 741018）

1 引言

經(jīng)過幾代人堅持不懈的奮斗和努力，我國已經(jīng)建成世界上規(guī)模最大的全國互聯(lián)互通的電網(wǎng)，擁有世界上最高電壓等級的±800 kV 直流輸電和1000 kV 特高壓交流輸電線路，并且迄今沒有發(fā)生過像美國東部、歐洲電網(wǎng)曾發(fā)生過的大面積停電事故。2015 年，我國發(fā)電裝機容量達到15.06 億kW，居世界第一，擁有世界上最多的單機100 萬kW 以上的超超臨界發(fā)電機組。中國的電力事業(yè)起步雖然比西方國家晚了近80 年，然而現(xiàn)在卻成為了名副其實的世界電力大國，這是值得中國人民自豪的驕人業(yè)績，也是中國電力戰(zhàn)線上廣大職工一代代努力的結(jié)果。

高壓交流斷路器又稱高壓開關(guān)，具有足夠的開斷能力和滅弧能力。它不僅可以有效切斷與閉合高壓電路的空載電流和負載電流，還可以在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，與保護裝置、自動裝置相配合，迅速地切除故障電流，以減小停電范圍，防止事故的進一步擴大，對于保證電力系統(tǒng)的安全運行具有極其重要的意義。高壓交流斷路器經(jīng)歷了油斷路器、壓縮空氣斷路器、真空斷路器和SF6 斷路器的發(fā)展史。而SF6 斷路器在20 世紀70 年代初就被廣泛應(yīng)用，它是以六氟化硫為滅弧介質(zhì)，這種斷路器的開斷能力較強。在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行中，高壓交流斷路器發(fā)揮著重要的作用，在經(jīng)濟效益和社會效益方面也具有非常重要的意義[1]。

隨著高壓交流輸電線路電壓等級的不斷提升，相應(yīng)地在運行過程中發(fā)生故障的風(fēng)險和故障解決的難度提高。當(dāng)電力系統(tǒng)在運行過程中突然發(fā)生如突發(fā)短路、異相接地、近區(qū)故障、失步故障等情況時，就需要故障臨近位置的高壓斷路器與配套裝置進行故障切斷，防止故障影響的進一步擴大。本研究論述的主要內(nèi)容是當(dāng)電力系統(tǒng)在發(fā)生突發(fā)短路故障時，高壓交流斷路器需要能有效切斷故障電流。而考核高壓交流斷路器這一能力的試驗方法就是高壓交流斷路器短路關(guān)合和開斷試驗。高壓交流斷路器短路關(guān)合和開斷試驗既是斷路器產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計以及性能提升的必要手段，也是對其性能的最終考核驗證。目前，我國整體正處于由高速發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量發(fā)展的階段，國內(nèi)各行各業(yè)都在大力提升質(zhì)量，那么提升試驗成功率（也就是試驗的質(zhì)量），無論對試驗結(jié)果的判定還是對產(chǎn)品性能的評價都具有重要意義，最終為高壓交流斷路器的新產(chǎn)品研發(fā)升級提供技術(shù)支持。

2 高壓交流斷路器短路關(guān)合和開斷的安全試驗技術(shù)規(guī)定

斷路器觸頭應(yīng)能分別關(guān)合和開斷額定電阻短路開斷電流及額定電阻短路開斷電流以內(nèi)的所有對稱和其他非對稱的短路電流。具有額定電壓容性水平開斷關(guān)合電流值的斷路器，應(yīng)能在低于額定電壓值的容性水平下關(guān)合開斷電流至其額定電壓值的容性關(guān)合開斷電流值。如果實驗室試驗容量能力滿足，試驗應(yīng)盡可能使用直接試驗的方式。如果實驗室試驗容量能力無法滿足試驗要求，則可以選擇合成試驗的方式來完成試驗。作為進行短路關(guān)合開斷試驗的推薦經(jīng)驗，在試品數(shù)量上試驗應(yīng)在同一臺試品上完成。在試驗試品的安裝布局上針對受試斷路器布置應(yīng)直接安裝在自己的受試支架上或與之等效的其他支架上（各實驗室一般都備有與之等效的支架）。依據(jù)目前國家標(biāo)準(zhǔn)上的一些相關(guān)技術(shù)規(guī)定，三極供電斷路器的單極應(yīng)在單相供電試驗回路中進行，施加與完整三極供電斷路器三相開斷和關(guān)合中最高電應(yīng)力極上在相應(yīng)條件下承受相同的電流和幾乎相同的工頻電壓。通過對一極中各電壓單元間的電壓變化分布的綜合分析即可初步確定每個試驗點的電壓。在關(guān)合和開斷兩個試驗進行前后均應(yīng)按空載操作順序進行操作（如O-CO、CO、O），并記錄其合閘時間、分閘時間等特性參數(shù)（該數(shù)據(jù)可以和機械特性試驗數(shù)據(jù)進行對比，以確保其準(zhǔn)確性）。在斷路器關(guān)合和開斷試驗進行的過程中，斷路器在一般情況下不應(yīng)該同時出現(xiàn)以下異?，F(xiàn)象：（1）表現(xiàn)出控制電路或帶電觸頭上發(fā)生損壞的異常工作現(xiàn)象；（2）表現(xiàn)出相與相之間或相對地之間存在相互擊穿放電的現(xiàn)象；（3）表現(xiàn)出與相鄰近的各種設(shè)備之間存在有害的相互作用；（4）表現(xiàn)較突出的或具有缺點可能直接影響危及其設(shè)備操作者的安全以及性能等。在試驗后斷路器的狀態(tài)檢查上，可在任意一個試驗方式結(jié)束后，對斷路器進行狀態(tài)檢查。作為試品的斷路器其機械部件和絕緣件應(yīng)基本上與進行短路試驗前的實際工作狀態(tài)相同。通過外觀檢查通常足以驗證其絕緣性能。試驗方式主要有T10、T30、T60、T100s、T100s（b）、T100a、OP1、OP2。其中除T100a 的操作順序為外，其余試驗方式的操作順序均為。對于各種試驗供電系統(tǒng)來說，要正確區(qū)分中性首開極系數(shù)1.5（中性點非有效接地）和中性首開極系數(shù)1.3（中性點有效接地）。對于試驗操作方式均為T100a的開斷試驗，隨觸頭短路分離起始時刻的不同對其試驗的操作嚴酷度也就會有很大程度的區(qū)別，為了使非對稱性的要求從一相轉(zhuǎn)移到另外一相，各次開斷試驗之間短路起始點的角度都需要依次推60°。在相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)（例如：GB/T 1984—2014）中還對如燃弧時間，最后電流半波的參數(shù)，預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓等關(guān)鍵參數(shù)做出了具體要求。

3 試驗流程

試驗從考核的最終意義上來講，主要分為研發(fā)升級型試驗和考核判定型試驗。所謂研發(fā)升級型試驗就是產(chǎn)品經(jīng)過研發(fā)后通過試驗的方式來對新產(chǎn)品所提升改進的方面做出一個相應(yīng)的評價，并依據(jù)試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)對新產(chǎn)品的新技術(shù)做出一個相應(yīng)的調(diào)整和完善，最終形成一個完整的參數(shù)調(diào)整。而性能考核中的判定型性能試驗則主要是對已經(jīng)研制成型的相關(guān)產(chǎn)品是否依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或其他相關(guān)產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對其性能進行是否符合性能的判定，為后續(xù)產(chǎn)品在實際工作條件下的使用提供判定依據(jù)。由此可見，無論試驗的最終目的如何，在試驗業(yè)務(wù)辦理時，生產(chǎn)企業(yè)作為委托方首先要向承接試驗的檢測機構(gòu)提供一套完整的試驗產(chǎn)品的技術(shù)條件及試驗大綱（包括如保證額定操作順序的操作機構(gòu)的最低條件，保證額定操作順序的開斷裝置的最低條件等主要參數(shù)），以確保試驗的順利進行。實驗室在承接業(yè)務(wù)后依據(jù)委托方的要求和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，編制試驗工作卡，方便試驗樣品的流轉(zhuǎn)和具體試驗的實施。試品按照試驗工作卡流轉(zhuǎn)至各個承接具體試驗的實驗室后，各實驗室再依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及具體的試驗細則進行試驗，并形成試驗的原始記錄，待所有試驗項目結(jié)束后統(tǒng)一匯總編制出完整的檢測報告，簽字蓋章后交付給委托方。

4 試驗系統(tǒng)設(shè)計

容量試驗室在接收到高壓交流斷路器后首先要對斷路器進行一個簡單的外觀檢查和基本操作，確認斷路器無誤后，可先根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)提供的該斷路器接線圖進行控制線的連接，以確保該試驗室時序控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地控制斷路器的合分操作。完成控制接線后，依據(jù)斷路器的額定電壓，額定電流以及委托試驗的具體方式和試驗等級，選擇與試驗相匹配的試驗回路和相應(yīng)的采集系統(tǒng)前端設(shè)備（如電流線圈、電壓互感器等）。對照國家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于相關(guān)試驗電源條款的回路參數(shù)控制規(guī)定，試驗操作人員應(yīng)先將相關(guān)試驗電源回路短路連接，通過調(diào)節(jié)試驗電源（如沖擊高壓發(fā)電機/高壓電網(wǎng)），試驗電源主開關(guān)回路中的電阻抗，變壓器回路連接點等方式，選相開關(guān)的電合閘工作角度，TRV（瞬態(tài)恢復(fù)電壓）試驗回路工作參數(shù)等條件來最終準(zhǔn)確實現(xiàn)相關(guān)試驗回路參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，使得到的試驗電壓，工頻電流，恢復(fù)電壓，試驗電流有效值，試驗電流功率峰值，試驗電流直流因數(shù)分量，功率成本因數(shù)，TRV 等試驗參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在相關(guān)試驗參數(shù)調(diào)節(jié)完成后，將試品連接至主回路中，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗操作方式開始試驗。以沖擊發(fā)電機為試驗電源為例，試驗過程中，首先讓沖擊發(fā)電機自己開始勵磁，當(dāng)沖擊發(fā)電機的入出口交流電壓控制達到規(guī)定試驗電源要求的出口電壓控制等級后，由輔助控制驅(qū)動系統(tǒng)（即諸如時序控制系統(tǒng)和控制驅(qū)動系統(tǒng)等）將已經(jīng)提前運行設(shè)置好的控制程序進行觸發(fā)，控制回路中的輔助控制設(shè)備（如保護斷路器、操作斷路器、選相合閘開關(guān)等）和試品動作，完成整個試驗過程。同時，在整個試驗程序指令發(fā)出的整個過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一直處于采集狀態(tài)，待提前設(shè)置好的觸發(fā)點被觸發(fā)后，完成整個采集。如若斷路器動作正常，且采集到的示波圖中讀取的相關(guān)參數(shù)滿足預(yù)期參數(shù)的要求，則認為該次試驗通過，時間間隔3 min后，繼續(xù)進行下一次試驗。待所有試驗程序完成后，將示波圖和試驗過程中形成的原始記錄整理好，結(jié)束試驗（試驗過程中要做好原始數(shù)據(jù)的記錄工作，并有效地形成原始記錄，以確保原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可溯源性，且滿足CNAS-TRL-009：2018 電氣檢測領(lǐng)域原始記錄的編制和管理中的要求。良好的原始記錄應(yīng)具備原始性、可操作性、真實性、有效性、溯源性和完整性）[2]。

5 數(shù)據(jù)采集和結(jié)果分析

試驗結(jié)果有時可以通過直觀的肉眼觀察試驗過程中的試驗現(xiàn)象或試后檢查斷路器的外觀來做出判斷（如試驗過程中通過監(jiān)視系統(tǒng)觀察到噴弧、打火等具體現(xiàn)象，試后檢查斷路器外觀時發(fā)現(xiàn)有噴弧或打火的痕跡），有時也可以通過額定操作來做出判斷（如試驗過程中聽到異響，通過額定操作發(fā)現(xiàn)斷路器不能正常合分，判斷觸頭可能發(fā)生焊接等現(xiàn)象）。目前，我國斷路器生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展水平已比較成熟，上述兩種現(xiàn)象屬于比較少見的情況，而絕大多數(shù)情況下試驗過程中觀測不到具體現(xiàn)象，需要通過試驗結(jié)束后分析試驗示波圖來實現(xiàn)結(jié)果的判定。試驗示波圖就是通過試驗前端對該試驗的具體預(yù)期參數(shù)而對應(yīng)設(shè)定好后在試驗過程中采集得來的。

高壓、大電流試驗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理大多是：將主回路上的強電信號通過分壓器、積分放大器等采集元件轉(zhuǎn)變成一個弱電信號傳輸?shù)讲杉岸松?，采集前端再通過A/D 轉(zhuǎn)換和E/O 轉(zhuǎn)換將弱電信號轉(zhuǎn)化為一個光信號，由光纖傳導(dǎo)至主控室的采集系統(tǒng)主機，主機再將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字模擬信號傳輸至計算機上，最后再由指定的采集軟件進行示波圖的分析、還原和顯示。有時示波圖上可以很直觀地看到電壓或電流波形的畸變，通過畸變可以分析出試驗過程中故障發(fā)生的大體情況（如：若電流波形有效值突然增大且波形為非對稱正弦波，則可能在試驗過程中發(fā)生了放電的過程；若恢復(fù)電壓的起始部分開始就發(fā)生畸變且波形毛刺很大，則可能斷路器的觸頭間重復(fù)發(fā)生擊穿，觸頭絕緣性受破壞等）。還有一種情況就是示波圖直觀看上去沒有任何問題，波形勻稱且信號準(zhǔn)確，這時就需要通過讀取相關(guān)的試驗參數(shù)，如試驗電壓有效值、試驗電流有效值、直流分量、工頻恢復(fù)電壓、TRV 等參數(shù)，并與預(yù)期參數(shù)進行對比后再做出判斷。

6 結(jié)束語

本研究詳細介紹了高壓交流斷路器關(guān)合和開斷試驗，從試驗要求到試驗流程，從試驗過程到數(shù)采結(jié)果分析，并對重點環(huán)節(jié)追加了解釋說明。隨著國內(nèi)電力供電網(wǎng)絡(luò)能力的不斷提升，各試驗室針對高壓交流斷路器關(guān)合和開斷試驗的試驗?zāi)芰驮囼灧椒ㄒ苍诓粩喔倪M提高。無論是直接試驗方式還是合成試驗方式，解決好試驗?zāi)芰?，最終滿足客戶和國家電力供電網(wǎng)絡(luò)的需求，將是未來各容量試驗室發(fā)展的主要方向。