特高压断路器的大容量开断试验等价性分析与开断试验方法 (1)

2009

年

10月第45卷第5期收稿日期：2009-03-13；修回日期：2009-06-24

作者简介：裴振江（1964），男，博士，高级工程师，主要从事开关电器的大容量试验技术研究。

0引言

合成试验是一种非直接试验，其等价性问题一

直广受关注。对Weil -Dobke 电流引入型合成试验回路来说，大电流阶段和稳态恢复电压作用阶段的等价性相对容易保证，但过零前后的试验等价性则较难控制[1]

。在这个阶段，电流畸变率和电压作用过程对引

入电流的频率有着相互矛盾的要求。

一方面，在合成电流过零前一段时间内，主电流

i 1、i 2叠加形成合成电流（i 1＋i 2）流过被试断路器。由于

两电流的频率不同，合成电流的波形会偏离正弦波。在i 1固定不变的情况下，分析引入电流频率f 2、引入电流值i 2及投入时刻t 2（或τ）这3个参数，可以发现，存在3种不同的引入情况，分别会得到3种不同的合成电流波形和电流畸变情况[2]（见图1）。从图1

可见，只有当τ和f 2配合适当时，这一时间段内的电流波形才比较接近正弦波。一般说来，当f 2较小、即

i 2的频率较低时，其合成电流波形总是不太好（见图1（b ））。所以对Weil -Dobke 回路，规定了i 2的下限频

率f 2min 为250Hz 。

另一方面，电弧电压显著变化阶段决定了试验可采用的引入电流i 2的上限频率f 2max 。根据等价性

特高压断路器的大容量开断试验等价性分析与开断试验方法

裴振江1，2，

何俊佳1，

姚斯立2

（1.College of Electrical &Electronics Engineering,Huazhong University of Science &Technology ，Wuhan 430074，China ；

2.Xi ’an High Voltage Apparatus Research Institute ，C o .，L td .，Xi ’an 710077，China ）

Equivalency Analysis and Test Method of High Power Test for

Ultra -h igh Voltage Circuit Breakers

（1.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074；2.西安高压电器研究院有限责任公司，陕西西安710077）PEI Zheng -jiang 1，2，HE Jun -jia 1，YAO Si -li 2

Abstract:According to the test requirements of ultra -high voltage circuit breakers ，the equivalency of the Weil -Dobke synthetic test circuit is analyzed ，and the frequency of the injected current is discussed.The circuit structure and operation of the EPIC test circuit provided by ABB Corporation is described ，including its shortcomings.A new test circuit for ultra -high voltage breakers ，named XIHARI synthetic test circuit ，is proposed.The operation principle of this circuit is introduced ，and its test equivalency is proved.

Key words:u ltra -high voltage circuit breaker ；h igh power test ；s ynthetic test circuit ；equivalency ；EPIC test circuit ；

XIHARI test circuit

摘要：根据特高压断路器试验要求，对Weil-Dobke 电流引入型合成试验回路的等价性进行了分析，探讨了引入电流的频率要求。介绍了ABB 公司的EPIC 合成试验回路，讨论了EPIC 回路的结构和工作特点，指出了EPIC 回路存在的问题。提出了适用于特高压断路器大容量试验的XIHARI 合成试验回路，详细介绍了该回路的工作原理，对其试验等价性进行了分析。关键词：特高压断路器；大容量试验；合成试验回路；等价性；EPIC 试验回路；XIHARI 试验回路中图分类号：TM56；TM643

文献标志码：A

文章编号：1001-1609（2009）05-0001-05

第45卷第5期

2009年10月Vol.45No.5

O ct .2009

High Voltage Apparatus

（a ）f 2较小，τ＝1

2

τ

i 2

i 1＋i 2

i 1

τ

i 2

i 1＋i 2

i 1

τ

i 2

i 1＋i 2

i 1（b ）f 2较小，τ＜1

2

（c ）f 2较大，τ＞1

2

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!特高压电器专题

1··

O ct .2009High Voltage Apparatus Vol.45No.5

要求，电弧电压显著变化阶段必须比电弧单独引入电流维持的时间短。为做到这一点，与f 2max 相应的周期T min 至少应是电弧电压显著变化阶段的4倍。而且，要求f 2还应足够低于暂态恢复电压的基频，以使回路易于调整[1]。

由以上讨论可见，为保证等价性，对引入电流的频率存在着两方面的限制，分别确定了f 2的上、下限频率。在基于Weil -Dobke 合成试验回路的中压、高压断路器试验中，一般取引入电流频率f 2为

250～1000Hz ，即工频的5～20倍。

但是对于750kV 及以上电压等级的特高压大

容量断路器，传统的Weil-Dobke 合成回路已经难以满足试验等价性要求。

表1是IEC 标准规定的各电压等级断路器开断性能试验中TRV 的波形参数（仅给出第1参考电压u 1和第1参考时间t 1）[3]。由表1可见，t 1随着电压等级的升高而逐渐增大。对于550kV 断路器，t 1=

292μs ，求得其对应的振荡电压基频为：f =1/4t 1=1/4×292×10-6≈856Hz ，接近250Hz 的3.5倍。因此，

可认为引入电流的频率远低于暂态恢复电压的基频。

由表1可知，对于800kV 断路器，t 1=318μs ，可求得其对应的振荡电压的基频为：f =1/4t 1=1/4×318×

10-6≈786Hz ，仅为250Hz 的3.1倍。对1100kV 特高

压断路器，尽管还没有试验标准，根据设备规范，给出的t 1为438μs ，对应的振荡电压的基频仅有570Hz ，仅为250Hz 的2倍多。要想满足前述的等价性条件，引入电流的固有频率就会低于250Hz 。而这又会带来类似图1（b ）的情况，导致电流波形畸变较大，偏离正弦波较远，反过来影响大电流阶段的等价性条件的满足。

再考虑到特高压断路器的结构设计特点，可见，当采用传统的Weil -Dobke 回路对特高压断路器进行合成试验时，除了引入电流频率将低于250Hz 、造成零前电流畸变过大之外，还存在下述问题。

（1）由于超高压罐式断路器罐体接地的特点，断口电压和通流母线对壳体的电位都很高，不可能用一个电压源回路来同时满足断路器开断后断口全电压和通流母线对壳体的全电压要求。

（2）超/特高压断路器一般均为落地罐式充气结构。在日本，为降低系统的操作过电压以降低系统绝缘配合水平，这种断路器设计中包含有合闸电阻和分闸电阻。在我国，最初设计的特高压断路器也有采用合闸电阻和分闸电阻的设想。采用电阻合闸和电阻分闸的SF 6罐式断路器，其灭弧室结构与现有断路器不同，主触头、电阻触头行程在接到合分闸指令后其分断和接通存在30～35ms 的延迟时间，在系统运行时断路器主触头的开断性能和开断条件与电阻触头不同，但试验室不可能提供这样的电源，能同时考核主触头和电阻触头的开断性能。

（3）对于不带分、合闸电阻的落地罐式断路器结构，在开断过程中带电部分与壳体之间也存在恢复电压的作用，它们在电弧热气体作用后的绝缘性能也需要在开断试验过程中得到考核。传统的合成试验回路也不可能提供这样一个电压源来同时考核断路器断口之间以及断路器带电部分与接地壳体之间的作用电压。

（4）对于双断口罐式SF 6断路器，由于其整极灭弧室共用一个机构，在开断过程中1/2极试验不能够代替整极试验；因为共用一个机构的整极试验与

1/2极试验时，操作断路器的机械行程及特性会发

生变化，所需要的操作功大小不相同；由于两个灭弧室灭弧介质相通，在单元试验开断过程中罐体内电弧能量、SF 6气体电弧热分解物、电动力等都会对开断性能及壳体内带电体端部与壳体间的绝缘产生很大影响。同时，由于灭弧断口每个极有可能并联有电阻或电容器，电弧热气体肯定会影响灭弧室与绝缘子、电阻器、灭弧室之间的绝缘性能。试验也需要对这种影响进行考核。

这些都要求开发新的试验回路，设计新的试验方法。

1EPIC 合成试验回路分析

ABB 公司在传统Weil -Dobke 回路的基础上设

计了增强型的电流引入回路（EPIC 回路）[4－6]。该回路的拓扑结构见图2，它像并联电流引入回路一样有着一个辅助断路器（AB 1）和一个火花隙（Gap 2）。同时还引入一个辅助断路器（AB 2），把“第1个”电压回路和电压引入回路（“第2个”电压回路）分隔开来。

EPIC 回路可分解为3个子回路。第1部分包括

表1

IEC 标准规定的各电压等级断路器

开断试验中的四参数TRV 波形参数[3]

额定电压/kV

最高电压/kV

试验方式

第1参考电压u 1/kV

第1参考时间t 1/μs

110126T100

13467220242268134330363384192500550584292750

800

637

318

2··