高压断路器燃弧时间测量方法研究

高压断路器燃弧时间测量方法研究

彭勇

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摘要：高压断路器是电力系统中起保护和控制作用的关键电气设备，其运行状况直接决定着电力系统的运行安全和经济效益。本文主要对高压断路器燃弧时间测量方法进行研究，详情如下。

关键词：高压断路器；燃弧时间；测量方法

引言

高压断路器是电力系统中的关键设备之一，在电力系统中具有控制和保护的作用，一旦发生故障，将造成重大经济损失。随着智能电网的建设，对高压断路器的可靠性提出了更高的要求。

1断路器的燃弧时间

在高压断路器开断试验中，有三个时间参量非常重要，分别是开断时间、分闸时间和燃弧时间。开断时间包括分闸时间和燃弧时间两部分，是指断路器接到分闸指令瞬间起到燃弧时间终了时刻的时间间隔；分闸时间是指断路器接到分闸指令瞬间起到所有相中弧触头分离瞬间的时间间隔；燃弧时间是指从第一极电弧起始时刻到所有极电弧熄灭时刻的时间间隔。在高压断路器开断试验中可以通过数据采集系统直观显示出电弧的熄灭时刻即电流零点处，但是无法精确标记或寻找到电弧起始时刻，因此燃弧时间准确测量的关键在于确定断路器的燃弧起始时刻即触头分离时刻。

2燃弧时间测量方法

对高压断路器电弧电压波形的测量，可以观察到起弧点和熄弧点的位置，从而准确地计算出燃弧时间。该方法的原理是利用在断路器开断时，断路器两端电压发生显著畸变的特征，使用高精度，高带宽的分压器为电弧电压传感器，配合带有消除内部导电回路压降算法的数据采集装置得到精确的电弧电压波形，从而确定准确的起弧点，再结合熄弧点最终得到相应的燃弧时间。断路器在开断线路故障电流的过程中，电弧电压波形包含有整个电弧在形成及发展的详细信息。在动、静触头刚分后电弧形成的初始阶段，伴随有液态金属桥的形成和发展，电弧电压波形相对呈平滑上升的趋势，当液态金属桥爆炸断裂后，触头间隙等离子体及金属蒸气压力的剧增导致电弧电压呈急剧上升趋势，此时电弧电压依然平滑，但当触头开距或电弧电流增大至一定值后，真空电弧点状斑点或阳极斑点的出现，将导致电弧电压出现不同程度的噪声分量，此时断路器两端的电压也会有着明显的变化。

3查找控制回路故障的常用方法

3.1导通法

在被测回路断开电源的条件下，利用万用表的电阻档，测量线路、接点、线圈等是否符合使用标称，是否导通，进而查出回路断点，确定故障原因。导通法测量时，应注意校对表的准确性并选择相应量程，通用做法是先选用低档，若测出两点阻值为0Ω，说明两点间回路接触良好；若测出两点阻值为∞，说明两点间回路不通；若测出两点间阻值为低阻，说明两点间可能接触不良或有线圈等元件，此时应注意被测线路是否还有其它回路及元件，以免引起误判断。

3.2替换法

排查控制回路故障，应从各部分之间的联系点分段进行分析，缩小故障范围,准确判断是线路及元器件故障还是微机保护装置内部故障。先对微机保护装置外部的回路进行全面排查，若判断接线无误、故障可能为微机保护装置内的插件板或某个元器件引起，由于保护装置的复杂性，如有备品备件可替换使用，设定好与原整定值相同的定值参数后，先行恢复系统的正常运行，之后再与设备生产厂联系，设法修复故障设备。

4高压断路器操动机构驱动电机控制技术

电机操动机构采用电机直驱，传动结构简单、利用电机良好的伺服性能，可实现对开断和关合过程的调节与控制，获得理想的断路器开关特性，是解决传统操动机构结构复杂、工作可靠性和运动可控性不佳的有效途径，符合断路器智能化操作的发展方向。1）完成操动机构驱动电机样机研制，设计燕尾卡槽型转子结构提高电机工作可靠性。联机试验下试验样机施加电压高于250V时，操动机构合闸时间小于59.8ms，平均合闸速度高于2.22m/s；分闸时间小于31.2ms，平均分闸速度高于3.36m/s。2）将驱动电机在0°~23°、23°~34°、34°~52°、52°~64°四个转角区间的控制占比设置为0.7、0.5、1、0.4时，操动机构的合闸时间为57.5ms，平均合闸速度为2.02m/s，相比于300V和250V固定电压控制方式下分别下降了0.41m/s和0.20m/s。3）分段转矩控制策略改善了固定电压控制方式下合闸速度较高与合闸末期电机转速上升问题，提高了断路器的工作可靠性，实现了操动机构的运动过程优化。

4柔直电网机械式高压直流断路器分闸过电压改进

目前世界首个±500kV/3000MW的四端柔性直流环形电网——张北柔性直流电网已经成功投入运行。高压直流断路器作为柔性直流电网的核心设备，需具备毫秒级的开关能力，以保证直流电网的稳定运行。柔性直流电网采用了混合式、耦合负压式、机械式三种不同技术路线的500kV直流断路器，目前对高压直流断路器的研究主要集中在分断特性、拓扑结构、供能系统、性能试验，对直流断路器在现场的实际应用分析较少。机械式直流断路器采用有源振荡、人工过零的开关原理，拓扑结构主要包括主支路、转移支路、缓冲支路、耗能支路四部分。主支路：由多断口快速断路器串联而成，用于导通与开断直流系统电流。转移支路：主要由储能电容C1、振荡电感L、IGCT阀组串联构成转移支路主回路，通过转移支路LC振荡，制造主支路电流过零。缓冲支路：主要由缓冲电容C2、限流电阻R2串联而成，主要用来限制断路器开关后的断口恢复电压上升率。耗能支路：由多组避雷器（MOV）串并联而成，用于抑制开关过电压和吸收线路及平抗存储能量。机械式直流断路器分断原理如下：（1）断路器接收到保护动作命令，主支路快速断路器执行分闸命令。（2）转移支路触发导通，电感、电容开始振荡，转移支路振荡电流与主支路电流进行叠加，主支路产生电流过零点，主支路快速断路器熄弧，主支路电流开断。（3）线路对转移支路电容充电，避雷器两端建立断口过电压，避雷器动作，线路电流由转移支路转移至耗能支路。

5基于振动、场强信息的断路器三相不一致辨识方法

随着变电站智能运检技术的升级，三相不一致状态辨识的应用已不局限于三相不一致保护，高压断路器在线监测装置的故障诊断功能、智能运检智辅分析功能亦有辨识三相不一致状态的实际需求。但是，出于保护的可靠性考虑，现有的三相不一致保护所自带的三相不一致辨识不允许外接作其他用途，无法和其他智能运检设备实现信息交互，具有局限性。另一方面，考虑到当前变电站智能运检技术已包含了对断路器振动、电场强度等物理特征量的监测，借助振动、电场强度等特征量实现一种基于新原理的断路器三相不一致辨识方法已具备条件。（1）基于对振动信号的分析可以准确判断断路器是否发生变位；（2）经验性的电场强度U型曲线可以用于分析断路器是否处于不一致状态；（3）现有的振动传感器精度和电场强度测量终端的测量精度足以保证本文所提方法的实用性。

结语

研究测量精确的燃弧时间可以为高压断路器开断性能及其影响因素的研究提供量化依据及理论支撑，推动高压断路器灭弧室开发技术不断进步，有助于保护电网系统安全稳定运行，是影响国计民生的大事。

参考文献

[1]张军伟，李彦如，刘建权等.高压断路器合成试验燃弧时间要求及测量方法浅谈[J].科学技术创新，2019（26）：21-26.

[2]夏雨，陈坚，傅正财，等.断路器燃弧时间的瞬态电压检测方法[J].电工测试技术学术交流会论文集，2012：321-325.