合成回路试验：发展超高压大容量断路器的有利条件

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：合成试验的等价性也得到公认，它为发展超高压大容量的断路器提供了有利的条件。用合成试验法所进行的断路器型式试验，已被国际电工委员会认可而列入IEC标准中。电弧电压低的断路器如SF6断路器采用合成试验方法在容量方面得到的好处最大。由以上分析可知，合成试验回路虽然需要两套电源，但每套电源的容量都较小，即可以用较少的设备，较低的投资得到较高的试验参数。因此，认为电流引入回路的试验等价性要好得多。

（一）断路器开断过程及其特点

图5-12示出电流开断过程中几个阶段的电流、电压原理波形图。整个开断过程可分为四个阶段。从触头分离瞬间起到主电流消失瞬间止的这一段时间为燃弧阶段。

图5-12 电流开断过程中几个阶段的电流、电压原理波形图

在每个燃弧半波，电弧电压在电流过零前通常表现出显著变化，这取决于弧隙特性。因此电流变化率也将偏离相应的预期电流的变化率。这阶段为电流零前弧压显著变化阶段。随后，断口两端的电压与电流一起降至零，并改变极性，断口两端出现瞬态恢复电压。在电流零点后，由于瞬态恢复电压和弧隙电导的缘故，断口会流过弧后电流，这就是弧后电流阶段。流过断口的任何电流消失以后，断口就象一段绝缘距离似地承受电压。这是介质强度阶段。

这里必须说明，实际上不可能精确地确定这些阶段的界限。弧压显著变化阶段和弧后电流阶段可统称为零点阶段，也就是电流零区。

从上面对开断过程的分析可以看出，当有电弧电流通过时，弧隙上的电弧电压很低，主要的压降在线路阻抗上。在电流零点后，恢复电压才加在弧隙上，使弧隙上出现高的电压。显然，在断路器的开断过程中，大电流和高电压并不同时出现在弧隙上。

（二）合成试验法及基本分类

正由于断路器在开断过程中具有大电流和高电压并不同时出现在弧隙上这一特点，就可将大电流和高电压先后加在断路器上进行试验，以满足断路器开断过程中燃弧时的大电流和熄弧后的高电压要求，这就是合成试验法的基本思想。

合成试验所用的回路采用两个独立的电源（即低电压大电流的电流源和高电压小电流的电压源）来代替直接试验时惟一的高电压大电流电源，两个电源按需要先后加在被试断路器上进行开断能力试验。由于每个电源的容量都相对较小，从而可以用较小的设备获得较大的试验容量，其投资费用比同样试验容量的直接试验设备要小得多。

合成试验的等价性也得到公认，它为发展超高压大容量的断路器提供了有利的条件。用合成试验法所进行的断路器型式试验，已被国际电工委员会认可而列入IEC标准中。

合成回路的电流源可以是网络、短路发电机和单频振荡回路装置中的任一种，而电压源一般均采用振荡回路。

合成回路试验装置的种类很多，但大体可分为两大类：

1）电压源在电弧电流过零后才加到弧隙上，因此电流源供给过零前的大电流和刚过零后很短时间内的恢复电压，然后由电压源提供高的恢复电压。这一类称为电压引入回路。

2）电压源在电弧电流过零前一段时间就加到弧隙上，因此电压源也要提供一定数量的电流，与电流源的大电流叠加，而过零后，完全由电压源提供恢复电压，这一类称为电流引入回路。

（三）电流引入法合成试验

一般认为，电流过零前几百微秒时，电弧电阻增大。由于电流源的电压较低，电流难以保持正弦波形，会出现一定的畸变，因此，在电流过零前几百微秒时让电压源投入工作，这样来保证试验断路器的电弧过程与实际电网中的开断情况相一致，因此电流引入法成为现今最为通用的合成试验方法。

威尔合成回路为电流引入回路的一种，其原理接线图如图5-13所示。它由短路发电机G和变压器T作为电流源，而用振荡回路作为电压源。

图5-13 威尔合成回路原理接线图

G—短路发电机 T—变压器 QF_h—合闸断路器 QF_f—辅助断路器 QF_bs—被试断路器 C_u—高压电容器 L_i、L_u—电抗器 G—点火球隙 K—同步控制装置 TA—电流互感器 R₀—阻尼电阻 C₀—调频电容

试验时，QF_f与QF_bs都处于闭合位置，接通QF_h后，就有短路电流i₁通过QF_f和QF_bs。QF_h接通后随即让QF_f与QF_bs分断，产生电弧。在电流源过零前某一时刻（一般为几百微秒）时使球隙G点火，于是预先已充到相应试验电压的电容器Cu通过球隙和电抗器L_u向QF_bs放电，使高压回路投入工作。电压源提供的电流i₂也通过QF_bs弧隙，于是QF_bs中流过的电流为i₁+i₂，波形如图5-14所示。由于流过QF_f中的电流i₁比流过QF_bs中的电流i₁+i₂要先过零，QF_f中的电弧先熄灭，使电流源与被试断路器QF_bs及电压源脱离，免受高电压的危害。从图中可以看到，由于电流i₂的引入，使流过QF_bs的电流发生了畸变。但是只要畸变不大，并且畸变区域离电流过零点较远，可以认为不影响试验的等价性。在bc段，只有电流i₂流过QF_bs，这一时间叫做电压回路单独作用时间，通常为200～500μs。在C点，流过被试断路器QF_bs中的电流过零，电弧熄灭，恢复电压立即加在断路器的弧隙两端。R₀、C₀用来调节瞬态恢复电压的参数。

图5-14 威尔合成回路电流波形

为了保证试验的等价性，对电流源与电压源提出了一定的要求：

1）电流源主要提供电流但电源电压不能过低，否则会影响电流波形及电弧能量。一般电流源电压至少为电弧电压的10倍以上。由此可以大致确定电流源的容量为

P_i=10u_aI₁

式中 u_a——辅助断路器和试验断路器电弧电压的总和；

I₁——电流源提供的电流有效值。

电弧电压低的断路器如SF₆断路器采用合成试验方法在容量方面得到的好处最大。

2）为了减小电压源投入时试验断路器中电流的畸变，电压源电流i₂的振荡频率f₂不宜过高。一般f₂为工频的5～20倍，即250～1000Hz，电压源投入的时间也应比较准确。

3）电压源投入后，试验断路器中电流过零时的变化率应与实际电网中电流过零时的变化率相等，以保证电流过零前后的电弧现象基本相同。若有

i_s′=I_1msinω₁t

i₂=I_2msinω₂t

式中 i_s′——实际短路电流。

要保证，则要求

即 ω₁I_1m=ω₂I_2m

或 f₁I₁=f₂I₂

由此可确定电压源的容量为

式中 U——电压源电压。

由以上分析可知，合成试验回路虽然需要两套电源，但每套电源的容量都较小，即可以用较少的设备，较低的投资得到较高的试验参数。只要电流源与电压源的参数与动作时间配合得当，等价性可以保证。

（四）电压引入法合成试验

一般认为，只有在电流过零前就在弧隙上加上电压源，才能保证与实际开断情况基本一致。因此，认为电流引入回路的试验等价性要好得多。随着高压断路器额定参数的不断提高及开关容量的迅速增长，即使采用电流引入法合成试验方式，其试验设备也需要大量增加，从而扩大了投资，增加占地面积，这是太不经济的。

断路器（它的电弧特性）与试验电路之间发生剧烈的相互作用，对开断过程极为重要，这一阶段称为相互作用阶段。该阶段中零前的电弧电流和零后TRV波形应当与基准系统条件下相同。

图5-15 电压源回路与辅助断路器并联的典型电压引入电路

u_i—电流源电压 L_i—电流源电感 C_i—电流源电容 AP—近弧回路 QF_f—辅助断路器 QF_bs—被试断路器 C_u—电压源电容 L_u—电压源电感 u_u—电压源充电电压

电压引入合成回路试验原理如图5-15所示，由电流回路和辅助断路器并联的电压回路组成。在预定熄弧半波，被试断路器QF_bs和辅助断路器QF_f同时开断由电流回路提供的短路电流，电流回路的恢复电压TRV通过与辅助断路器并联的电容器C_u加到被试断路器QF_bs上，成为试验规定的总的恢复电压TRV的初始部分u₁。加在被试断路器的电流负荷与电压负荷间不出现延滞。在电流回路TRV峰值之前，触发电压回路中的火花间隙，接通电压源回路，在辅助断路器两端形成电压源回路的恢复电压TRV，该电压为u_x。从该瞬时t₁起，这两个电压叠加后成为试验规定的总的TRV的后续部分，u_t加在被试断路器上，如图5-16所示。

在相互作用阶段，被试断路器仍处在电流回路中，且辅助断路器的电弧也参与了与试验电路间的相互作用，为了保证流过被试断路器的电流满足规定要求，并且得到规定的TRV，需要正确选择电流源回路TRV调节支路电容和电阻的数值以及辅助断路器的并联电容值。

在大电流阶段，被试断路器仅受到电流源回路的作用，电流源回路的恢复电压经与辅助断路器并联的电容加到被试断路器上，电压回路在相互作用阶段之后才加到被试断路器上。

当采用电压引入法进行断路器有关试验时，应满足下列要求：

1）辅助断路器的电弧电压应小于或等于被试断路器的电弧电压。

2）电压回路的阻抗应足够低，以不影响可能发生的重燃或重击穿。辅助断路器两端的电容至少为10nF，应注意避免工频电流零点前电流的过分畸变。

3）电压回路和电流回路结合时不应产生停顿。

由上述电压引入合成法试验原理可知，对电压源容量要求较低，因为不需要提供电流过零时的一部分电流，可以减少投资和占地面积。在采用电压引入法进行试验时，对辅助断路器和被试断路器开断的时间配合要求较高，另外要求电压源投入时间也应准确。但是电压引入法试验在进行高电压大容量断路器开断试验中有其应用意义，应对等价性进行深入研究。通常，对于近区故障试验不允许采用电压引入法，此外的试验则可用电压引入法。

图5-16 电压源回路与辅助断路器并联的电压引入电路的TRV波形

a）电流源初始电压部分 b）被试断路器上电压 c）辅助断路器上电压 t₁—电压引入瞬间 i—被试断路器和辅助断路器中的工频电流

（五）具有延弧支路的合成回路

进行断路器开断试验时，有时需要进行断路器长燃弧时间开断试验，在合成回路中需要建立延弧支路。

具有延弧支路的合成回路原理如图5-17所示。当延弧支路工作时该合成回路的试验程序为：QF_h1、QF_h2、QF_f、QF_bs等均在断开位置，预先对电流源和电压源电容C_i和C_u按规定充电，将QF_f和QF_bs闭合，在时间t₁先接通延弧支路的合闸开关QF_h2，电容器C_i经过L_i、R、QF_h2、QF_f、QF_bs的电路放电，只要电阻R的数值选择得足够大，那么放电电流波形近似为直流，并使电流值控制在几十安培以内，在时间t₂，使QF_f和QF_bs触头分开，在被试触头间引燃直流电弧，此电弧在较短时间内（几十毫秒）是不会熄灭的。在时间t₃时接通QF_h1，将R-QF_h2支路短接掉，从此时开始，电容C_i经L_i、QF_f和QF_bs放电，从而使试验电流流经被试断路器。当电流过零前后，投入电压源，在触头间加上规定的瞬态恢复电压，完成一次试验。

图5-17 具有延弧支路的合成回路原理图

合成回路试验：发展超高压大容量断路器的有利条件

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