高压交流断路器大容量开断与关合试验技术

高压交流断路器大容量开断与关合试验技术高享想西安高压电器研究院2016年11月Email：[e-mail]:18149075275一、大容量试验的意义与任务二、大容量试验站及其发展现状三、大容量开断与关合试验原理与技术四、大容量开合试验原理与技术五、TRV标准值的来源与发展主要内容1.1高压交流断路器在电力系统中的作用高压交流断路器是电力系统中发生短路故障时，能够顺利的切除短路故障的重要保障；或者要求开合负载操作时，能够实现正常投切电气设备。一、大容量试验的意义与任务线路1线路2线路nGBCBGT故障点b故障点c故障点aG：电站发电机GB：发电机断路器CB：高压断路器T：升压变压器1.2高压交流断路器开断与关合试验的意义不论是真空断路器，还是气体断路器，在开断与关合电力系统短路故障或者负荷时的电弧过程，是一个涉及电磁场、流场、热场之间相互作用和耦合的多物理场学术问题。一、大容量试验的意义与任务1.2高压交流断路器开断与关合试验的意义目前，国内外学者在电弧的仿真计算方面取得了很大的成就，主要的研究成果为两个方向：基于物理模型的仿真（磁流体动力学理论、ANSYS真实气体模型等）和数学模型的仿真（Mayr、Cassie经典模型）。但是，断路器开断过程中电弧方面的理论研究远远落后于实际的需求，目前还不能完全依靠理论分析和定量计算的方法设计出符合各种开断性能和其它要求的断路器。因此，开断和关合试验就显得尤为重要。高压交流断路器的开断与关合试验的目的是为了研究、考核断路器的各种开断与关合性能，检验灭弧室与其它部分的结构设计、制造工艺和材料选择是否正确合理。一、大容量试验的意义与任务1.3高压交流断路器开断与关合试验的实现方法国家标准《GB1984-2014高压交流断路器》规定的断路器的开断、关合及开合试验方式有：①基本断路试验（T10、T30、T60、T100s、T100a）②单相和异相接地故障试验③近区故障试验（L90、L75）④失步开断与关合试验（OP1、OP2）⑤容性电流开合试验（CC、LC、BC）⑥感性电流开合试验（高压电动机、并联电抗器）一、大容量试验的意义与任务1.3高压交流断路器开断与关合试验的实现方法原则上，这些试验可以在电力系统中进行，也可以在大容量试验站进行。但是，在电力系统中进行现场试验受试验内容、试验次数有限，参数不易调整等因素限制。因此，大容量试验站是进行上述试验的必然选择，为了配合电力工业的快速发展，许多国家都建立了自己的大容量试验站。一、大容量试验的意义与任务2.1大容量试验站的任务与要求大容量试验站的任务是寻求等价的试验方法，来满足标准和实际工况中提出的参数和要求；同时也尽可能地研究与开发用较小容量的试验设备，来完成断路器大容量试验的试验方法。大容量试验站进行开断与关合试验的充分条件为：与实际的电力系统中断路器开断与关合过程中所承受的电流、电压、电能负荷是等效的。这项工作是建立在对断路器的开断行为特征和灭弧机理研究、以及对电网中各种短路故障以及负荷电流的开合需求的基础上，用大容量试验站的设备和积累的大量试验数据，以及专门进行的系列对比试验研究进行的。二、大容量试验站及其发展现状2.2大容量试验站的功率源类型大容量试验站的类型及试验电源的来源：①网络试验站（缺点：受电网限制多）②短路（冲击）发电机试验站（缺点：投资大、运行及维护复杂）③振荡回路试验站（缺点：容量有限、衰减快）二、大容量试验站及其发展现状2.3大容量试验站的关键设备二、大容量试验站及其发展现状短路（冲击）发电机系统冲击发电机系统组成部分：发电机+励磁系统+拖动电动机（变频控制）+冷却系统+润滑系统冲击发电机三个暂态阶段：超瞬变阶段瞬变阶段稳态阶段'''',ddxT'',ddxT,ddxT2.3大容量试验站的关键设备二、大容量试验站及其发展现状振荡回路大厅振荡回路大厅组成部分：主电容塔+调频电容塔+高频电抗堆+电阻堆+充电系统+点火装置2.3大容量试验站的关键设备二、大容量试验站及其发展现状短路变压器人工链路2.3大容量试验站的关键设备二、大容量试验站及其发展现状关合装置3.1直接试验与合成试验——实现方法直接试验：外施电压、电流以及瞬态和工频恢复电压均由一个单电源回路获得的试验。实现方法网络电源、短路发电机三、大容量开断与关合试验原理与技术3.1直接试验与合成试验——实现方法合成试验：全部电流或者大部分电流从一个电源（电流回路）获得，而外施电压和/或恢复电压（瞬态和工频恢复电压）全部或部分从另一个或多个独立的电源（电压回路）获得的试验。实现方法电流回路：网络电源、短路发电机、振荡回路电压回路：振荡回路三、大容量开断与关合试验原理与技术开断试验原理图关合试验原理图3.1直接试验与合成试验——选择依据直接试验法和合成试验法选择根据是：试验项目的容量、被试断路器的电压等级、以及试验站功率源的容量。①直接试验法：适用于短路试验容量小的中压产品（12kV，40.5kV）。②合成试验法：适用于短路试验容量大的高压产品（126kV以上）。当然，对于功率源比较小的试验站，40.5kV的产品也选择合成试法；此外，对于发电机短路器TRV参数要求特别高，虽然直接试验法可以满足容量，但是无法提供满足标准要求的TRV参数，因此也选择合成试验法。三、大容量开断与关合试验原理与技术3.2合成试验原理与试验电路——开断过程三、大容量开断与关合试验原理与技术开断过程的三个阶段：①大电流阶段（t1~t2）②相互作用阶段（t2~t3）电压显著变化阶段+弧后电流阶段③高电压阶段（t3以后）3.2合成试验原理与试验电路——开断过程断路器电流开断过程的三个阶段是合成试验方法的理论基础，合成试验方法应能对被试断路器施加充分的负荷。1）大电流阶段—对称电流试验，电流幅值和最后半波的持续时间应不小于基于要求电流额定值的90%；—非对称电流试验，开断前的最后半波的短路电流峰值在要求值的90%和110%之间，且开断前的短路电流半波的持续时间在要求值的90%和110%之间。此外，受电弧电压的影响，电流源电压不能太低（12kV以上）。三、大容量开断与关合试验原理与技术3.2合成试验原理与试验电路——开断过程2）相互作用阶段断路器性能对试验电压与试验电流的影响(相互作用)。—电流趋零，弧压上升导致流经电弧的电流畸变（电容、电感）。—弧后电导对瞬态恢复电压的产生阻尼，从而影响TRV和触头间隙输入的能量。相互作用阶段是断路器热重燃模式的关键时刻。—临近电流零点预期电流的变化率，应与等价的直接试验相同。—预期TRV波形和数值，应与等价的直接试验相同。—辅助断路器的弧压要小于等于被试断路器，当辅助断路器的电压比较高时，需要提高电流源电压。三、大容量开断与关合试验原理与技术3.2合成试验原理与试验电路——开断过程3）高电压阶段三、大容量开断与关合试验原理与技术交流指数衰减恢复电压直流指数衰减恢复电压3.2合成试验原理与试验电路——开断试验电路按照电路原理分类：并联电流引入回路；串联电流引入回路；并联电压引入回路；串联电压引入回路；变压器或Skeats回路（双回路）；按照试验分类：单相回路；三相回路；三、大容量开断与关合试验原理与技术3.2合成试验原理与试验电路——开断试验电路1）并联电流引入回路三、大容量开断与关合试验原理与技术试验回路及电流引入时间注：断路器的热特性试验强制使用（例如：SLF，含有ITRV的T100s、T100a）3.2合成试验原理与试验电路——开断试验电路2）串联电流引入回路三、大容量开断与关合试验原理与技术试验回路及电流引入时间3.2合成试验原理与试验电路——开断试验电路3）并联电压引入回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：1）不能用来检验断路器热特性试验；2)适用于介电特性检验。3.2合成试验原理与试验电路——开断试验电路4）变压器或Skeats回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：1）不能用来考核断路器热特性试验；2）对断路器热重燃考核无效；3）适用于介电特性检验和关合试验。3.2合成试验原理与试验电路——开断试验电路5）三相合成试验回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：适用于首开极系数1.5、1.3、1.2。3.2合成试验原理与试验电路——开断试验电路5）三相合成试验回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：适用于首开极系数1.53.2合成试验原理与试验电路——开断试验电路5）三相合成试验回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：适用于首开极系数1.3、1.23.2合成试验原理与试验电路——开断试验电路6）两个电压回路的合成试验三、大容量开断与关合试验原理与技术注：单边加压法，第一套电流引入法3.2合成试验原理与试验电路——开断试验电路7）两个电压回路的合成试验三、大容量开断与关合试验原理与技术注：双边加压法，第一套电流引入法3.3合成试验原理与试验电路——关合过程三、大容量开断与关合试验原理与技术对称关合非对称关合关合过程的三个阶段：高电压阶段（t0以前）、预击穿阶段（t0~t1）、扣锁（t1）和完全闭合阶段（t2）3.3合成试验原理与试验电路——关合过程三、大容量开断与关合试验原理与技术对称关合非对称关合3.3合成试验原理与试验电路——高压关合试验电路1）典型的单相回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：试品接地3.3合成试验原理与试验电路——高压关合试验电路2）典型的单相回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：试品不接地（失步故障高压关合试验）3.3合成试验原理与试验电路——高压关合试验电路2）典型的三相回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：适用于首开极系数1.53.3合成试验原理与试验电路——高压关合试验电路3）典型的三相回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：适用于首开极系数1.53.3合成试验原理与试验电路——高压关合试验电路4）典型的三相回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：适用于首开极系数1.5、1.3、1.23.3合成试验原理与试验电路——高压关合试验电路5）典型的三相回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：适用于首开极系数1.5、1.3、1.23.3合成试验原理与试验电路——高压关合试验电路6）双边加压的高压关合试验回路三、大容量开断与关合试验原理与技术注：适用失步故障的高压关合，及部分T100s（a）3.4近区故障试验近区故障属于单相接地故障，或者三相接地故障对应的最后开断极的工况（涵盖了首开极的工况），因此近区故障的首开极系数为1。三、大容量开断与关合试验原理与技术单相、三相TRV波形等效电路3.4近区故障试验三、大容量开断与关合试验原理与技术并联电容对近区故障三角波恢复电压的影响3.4近区故障试验三、大容量开断与关合试验原理与技术电源侧和线路侧均有时延电源侧有时延线路侧无时延3.4近区故障试验三、大容量开断与关合试验原理与技术电源侧有ITRV和线路侧有时延注：1）对于T100a、T100s和L90，有必要在ITRV条件下进行试验；2）当电压等级不高于800kV时，近区故障线路侧时延小于100ns时，认为已覆盖ITRV要求；3）当电压等级高于800kV时，近区故障线路侧时延小于100ns，且线路的波阻抗为450欧姆，认为已覆盖ITRV要求；4）上述2）和3）在从电气的观点看，断路器的两端子不同的情况下，则ITRV的要求不能覆盖（例如，使用附加电容）。4.1容性电流开合试验试验项目：——额定线路充电开断电流（LC）；——额定电缆充电开断电流（CC）；——额定单个电容器组开断电流（BC）；——额定背对背电容器组开断电流（BC）；——额定背对背电容器组关合涌流（BC）。四、大容量开合试验原理与技术4.1容性电流开合试验——三相直接法试验电路四、大容量开合试验原理与技术4.1容性电流开合试验——单相合成法试验电路1四、大容量开合试验原理与技术4.1容性电流开合试验——单相合成法试验电路2四