断路器选相合、分闸技术

断路器选相合、分闸技术１问题提出１．１断路器操作过电压断路器的任务是关、合负荷电流及开断短路故障电流，保护回路上电器设备免受损坏，而断路器在进行这些合、分闸操作时产生的过电压及涌流现象，都会危及设备的绝缘性及电力系统电压稳定性，也会干扰回路上或附近回路上灵敏度高的电器设备正常工作。

以下分析变压器空载合闸的瞬变过程及单相电容器组开断的瞬变过程。

１．１．１变压器空载合闸时瞬变过程变压器空载合闸时，可以列出下面方程ｉ０Ｒ１＋Ｎ１＝Ｕ１ｓｉｎ（ωｔ＋α）（１）式中：Φ１——与原绕组交链总磁通；α——合闸时电压ｕ１的初始相角。

由于电阻压降Ｒ１ｉ０很小略去，式（１）转变为Ｎ１＝Ｕ１ｓｉｎ（ωｔ＋α）解为Φ１＝－ｃｏｓ（ωｔ＋α）＋Ｃ初始条件：ｔ＝０时，Φ１＝０得到Ｃ＝ｃｏｓα∴Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＋Φｍｃｏｓα（２）Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）磁通的稳态分量Φｍｃｏｓα磁通的暂态分量（１）如果合闸时，α＝（即ｕ１＝Ｕ１ｍ合闸）则Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋）＝Φｍｓｉｎωｔ（３）没有暂态分量，合闸后磁通立即进入稳定状态，可以避免冲击涌流过程。

（２）如果合闸时，α＝０（即在ｕ１＝０的瞬间合闸）得到Φ１＝Φｍ－Φｍｃｏｓωｔ（４）在合闸后半周期（ｔ＝）时，磁通达到最大值Φ１＝Φ１ｍａｘ＝２Φｍ，如图１所示。

铁心中磁通波形对时间轴不对称。

考虑剩磁Φ０，则磁通波形再向上移Φ０，从而使对应磁化曲线工作点移向饱和区，因此在磁通变化时，会产生８倍～１５倍额定电流的涌流。

由于电阻Ｒ１存在，合闸冲击涌流逐渐衰减，一般小型变压器经过几个周波即可达到稳态。

１．１．２单相电容器组开断时的瞬态过电压开断单相电容器组的电路图见图２所示，图中Ｃ为电容器组总电容，Ｌ为ＣＢ的负载侧电感。

ｔ＝０时，ＣＢ触头刚分开，弧电压很低可略去不计，因此电源电压ｕ与电容电压相等，即ｕ＝ｕＣ。

ｔ＝ｔ１时，电流过零，电弧熄灭，电源电压仍按正弦变化，经过半周到达正向最大值，但是电容电压ｕＣ＝－Ｕｍ不再变化。

断路器ＣＢ触头间电压ｕｊ＝ｕ－ｕＣ＝２Ｕｍ。

在ｔ＝ｔ２时，如果此时弧隙介质击穿，这一过程可以看为Ｕｍ直流电源经电感Ｌ突然加到电压为－Ｕｍ的电容上，因分布参数产生高频振荡，形成高频电流：ｉＣ＝２Ｕｍω０Ｃｓｉｎω０ｔ（ω０＝）电容器上电压为ｕＣ＝ｉｄｔ＝Ｕｍ－２Ｕｍｃｏｓω０ｔ因此高频电流ｉＣ经时间第一次过零时，高频电流被切断，电容器上电压ｕＣ＝３Ｕｍ最大值，如果此时电弧被熄灭，则ｕＣ将保持３Ｕｍ不变。

ｔ＝ｔ３时，ｕｊ＝４Ｕｍ，此时弧隙又出现击穿，则电容器电压可达到５Ｕｍ。

实际上，由于触头间距在开断过程中不断增加，因此介质强度不断增大，当介质恢复强度超过电压增加速度，重击穿现象中止，完成开断，所以电容上过电压倍数不会达到３倍（如图３所示）。

上面讨论是假设弧隙重击穿发生在电流过零后１０ｍｓ内的情况，因此恢复电压达到最大值。

一般弧隙在电流过零后Φ＝０°～９０°内击穿（称复燃），因此电源电压ｕ在－ｕｍ与０之间变化：Φ＝０°时，Ｕｃｍ＝－Ｕｍ；Φ＝９０°时，Ｕｃｍ＝Ｕｍ。

即Ｕｃｍ的绝对值不会超过电源电压峰值Ｕｍ，这时复燃，不会产生过电压。

但是弧隙在电流过零后Φ＝９０°～１８０°内击穿（重击穿），在电容器组上会出现过电压。

所以，同一台断路器在开断电容电流时，由于每次击穿时Φ不同，过电压大小也不同。

１．２限制操作过电压方法１．２．１利用串入电阻抑止过电压，减小冲击涌流（１）开断小电感电流时，限压电阻作用图４中ｕ为电源电压，ＬＴ为变压器的等效电感，断路器ＣＢ具有弧隙１和辅助弧隙２（如图４所示）。

Ｋｂ＝（ω电源电压频率，ＬＴ１变压器一相的电感）从上式可以看到，Ｋｂ与Ｒｂ大小有关。

（２）关合空载输电线时限压电阻作用如图５中所示：ｕ为电源电压，Ｌ，Ｃ为输电线的等效分布电感和分布电容。

在关合电路时，弧隙２先闭合，然后弧隙１闭合。

弧隙２和弧隙１闭合时对Ｒｂ数值的要求不一样，弧隙２闭合时要求Ｒｂ值要大，但弧隙１闭合时则要求Ｒｂ值要小，因此Ｒｂ可选折中值。

例如某厂３３０ｋＶ少油断路器，将限压开断小电感电流及关合空载输电线路过电压的限压电阻选为同一个值９００Ω。

１．２．２避雷器避雷器紧靠变压器安装（图６所示），操作过电压ｕ（ｔ）由线路侵入，当ｕ（ｔ）上升到ｕｄ时，避雷器动作，阀型避雷器的火花间隙击穿后，相当于在变压器装置Ａ点并联了一个非线性电阻，利用阀型避雷器非线性特性使侵入的操作过电压限制在安全值内（图７所示）。

这种方法可以有效的降低过电压。

１．２．３选相合、分闸技术在“变压器的空载合闸时瞬变过程”分析图中可以看到，如果触头闭合时，α＝（即ｕ１＝ｕ１ｍ），没有暂态分量，因为触头合后，磁通立即进入稳定状态。

所以在空载变压器合闸时，可以利用控制装置，使断路器触头间电压为Ｕｍ时，完成触头闭合，即可消除冲击涌流。

在“单相电容器组开断时的瞬态过电压”分析中可以看到：触头分开时，电流的相位φ０愈小，这样在电流过零时，触头分开距离愈大，介质强度愈高，也不易出现复燃及重击穿，弧隙在电流过零后Φ＝０°～９０°击穿，不会产生过电压。

所以在电容器组开断时，可以利用控制装置，使断路器触头分开后产生的过电压最小。

２断路器选相合、分闸技术自７０年代提出断路器选相合、分闸至今已有３０多年了，９０年以前，由于断路器水平及控制器水平发展所限，一直停留在理论研究方面。

但是进入９０年代，断路器制造水平提高和基于微处理机、微电子技术的测控技术提高，用户对供电质量要求提高，断路器选相控制技术自９０年代中期迅速走向实用化，表现在欧美对选相控制断路器使用量迅速增加；日本三菱电机公司开发的选相控制断路器已完成实用性验证，该公司１４５ｋＶ选相控制断路器已经运向美国。

选相控制断路器是由相位控制装置及高压断路器组成。

选相控制断路器能否达到过电压及冲击涌流的抑制效果，其关键是操作时间准确度（即合、分闸时相位准确度）。

图８是合闸操作时序。

２．１断路器特性要求２．１．１不同场合对选相断路器特性要求不同空载长线和并联电容器的合闸操作，目的是为了达到减小回路中过电压，尽可能降低断路器触头间予击穿电压。

空载变压器和并联电抗器的分断操作，目的是为了保证达到在电流过零时开断，但应避免断路器产生截流。

如果选相分断之前产生截流，会形成截流过电压。

图９示出了预期触头间电压差为零及附近合闸时的予击穿情况。

图中，正弦波为触头间电压（绝对值），Ａ为断路器接触位置（时刻），Ｂ点为发生予击穿位置，而ＡＢ直线为触头间耐压特性，耐压值随着合闸运动而下降，在Ａ点变为０，ＡＢ直线两侧虚线为因断路器合闸时间偏差及放电分散性造成的绝缘能力偏差的极限范围，实际合闸位置处于Ｃ点至Ｄ点范围内，呈正态分布。

ΔΤ是机械动作时间的偏差。

２．１．２断路器合、分闸操作分散性要小为了实现选相操作，断路器的操作机构性能要稳定，才能减少每次操作分散性，取得准确的合闸或分闸相位。

每次合、分闸时间误差必须在±０．５ｍｓ以内。

断路器操动机构是一种典型的双稳态操动机构，即操动机构具有将触头从合闸位置运动到分闸位置，或从分闸位置运动到合闸位置的功能。

多年来我国一直使用弹簧和凸轮组成的弹簧操动机构，这种操动机构具有较高可靠性，但是由于弹簧不可控及较多传动零件，因而分散性很大。

磁力驱动的操动机构与传统弹簧操动机构相比，在可靠性、耐用性与动作时间准确性方面具有更好性能。

由电力电子器件控制的、一种特殊设计的、结合带永磁的电磁系统为触头的运动提供可控操动能量，永磁体无需任何外部能量，通过闭合磁路提供的锁扣力，使灭弧室保持在分、合闸位置，因此永磁操动机构可以作为中压选相断路器的操动机构。

２．１．３断路器应具备三极独立操作因为电源三相（即Ａ、Ｂ、Ｃ相）在相差上相应１２０°，因此要实现三相选相操作，断路器三相每个相要配置独立的永磁操作机构。

例如在三相变压器合闸时，由于三相电压相位彼此相差，要避免三相冲击涌流，必须在合闸时每相进行独立选相。

２．２相位控制装置ＡＢＢ公司、日本三菱电机的相位控制装置结构如图１０所示。

２．２．１控制装置的硬件信号处理和计时装置负责处理电压和电流信号，在接受合／分闸操作指令后，决定延迟时间及发出合、分闸信号；控制单元通过开断单元和线圈电流探测器与永磁操动机构连接，通过输入的位置传感器信号控制断路器极柱。

采用３２位ＣＰＵ单片机，以确保高可靠性，快速进行控制演算及电网质量分析等任务。

２．２．２控制器软件控制器软件包含两大部分：（１）应用软件：负责电网质量分析，断路器位置控制，电流过零计算和人机界面管理；（２）系统软件：管理与硬件资源（信号处理单元、ＣＰＵ芯片、外部辅助设备）的接口及应用软件时序。

为了保证合、分时间的稳定，需要对影响合、分时间稳定的参数采取补偿措施，这些参数的作用为：控制电压修正；环境温度修正；触头烧蚀修正。

这些修正可以通过软件补偿，也可采用自适应检测的方法来补偿。

３选相合、分闸技术应用３．１应用情况十几年前国外已开始较多应用这项技术，１９９３年前投入运行数量见下表所示。

上表合计３７９台，分别用于电容器投入、线路开断、电抗器开断与投入、变压器投入等场合。

在中压、高压、超高压中均有应用。

我国截止１９９３年还没有应用实例。

但是在１９９８年我国已有一条输电线路的断路器采用了选相控制断路器，采用选相合闸代替合闸电阻方法限制合闸过电压。

２０００年又有２套选相控制断路器投入运行，是用来限制并联电抗器分闸过电压。

２００１年又有几套选相控制断路器陆续投入运行，用于限制并联电抗器及并联电容器分闸过电压。

３．２选相合、分闸应用场合３．２．１电容器投入场合可以抑制过电压，抑制合闸涌流，其优点是可延长断路器检修周期及省去串联电抗器。

３．２．２电容器开断可以防止复燃及重击穿，其优点是可以降低设备绝缘水平。

３．２．３空载变压器投入可以抑制合闸产生的涌流，其优点是可以防止继电器误动，提高供电质量及省去合闸电阻。

３．２．４电抗器开断可以防止复燃，其优点是可以降低设备绝缘水平。

３．２．５电抗器投入３．２．６空载线路投入可以抑制过电压，其优点是提高中压网路稳定性，省去合闸电阻及保护避雷器。

下面举一个在中压领域为了改善供电质量采用选相投切电容器应用实例。

图１１是投切电容器负荷产生暂态现象示意图。

用普通断路器投切电容器Ｃ１时（Ｃ１处于２０ｋＶ线路）产生１．８（ｐ．ｕ）过电压，导致谐振，谐振又可在Ｃ２处（Ｃ２处于６ｋＶ线路）产生高于４（ｐ．ｕ）过电压。

电力电子调速系统是普遍应用于工业中用于改进电机效率及灵活性的设备，调速装置内电力电子器件对过电压特别敏感，因此线路中瞬态过电压会造成调速系统的过电压保护误跳闸。