有载分接开关过渡电阻匹配的探讨

分接开关过渡电阻匹配的探讨

摘要：从改善触头切换任务、提高触头寿命和提高工作可靠性三个方面分析有载分接开关过渡电阻理论上最佳匹配

的方式以及实际匹配的修正状况。

关键词：分接开关、过渡电阻、匹配

一．概 述

过渡电阻是电阻式有载分接开关的—个重要组成部分。这种型式的分接开关采用过渡电路高速转换的原理来实现调压目的。因此，调压过程是在暂态条件下工作。在由图1中，当分接1转换到分接2的过程中，过渡触头将过渡电阻R 和回路电感L 0 突然接入级电压Us 的电路中，其环流为：

因R 远大于 L 0 ，环流Ic 的暂态分量(Us/2R)e －

αt 很快衰减。 图1 双电阻过渡电路

对于调压变压器，按理论计算不到几个毫秒，该暂态分量就衰减 R －过渡电阻 Us －级电压 到零。因此，过渡电阻的匹配可以按稳态情况来考虑。 I N －负载电流 I c －环流 二．过渡电阻理论最佳的匹配

过渡电阻的匹配一般都是按交流稳态情况下考虑，并遵循利于改善触头的切换任务，提高触头电气寿命和工作可靠性三原则进行匹配。综合考虑匹配方案，从中筛选最佳匹配值。

分接开关采用过渡电路的原理实现分接变换操作。过渡电路按GB10230.1分接开关标准归纳分为旗循环、对称尖旗循环以及非对称尖旗循环三种分接变换操作法。触头切换任务与它所采用的分接变换操作法有关。

1．改善触头切换任务的匹配

⑴ 双电阻过渡旗循环法的触头任务

双电阻过渡旗循环法的过渡电路见图2所示，电弧触头变换程序为“1—2一1”程序，输出电压经过四次变化，输出电压变化的相量图(图3)外观很象一面旗。因此称它为旗循环变换法。

(a) (b) (a) (b) 图2 双电阻过渡电路(“1－2－1”程序) 图3 双电阻过渡旗循环法相量图

(a)－CM 型分接开关 (b)－CV 型分接开关 (a)－电流相量 (b)－电压相量

双电阻过渡旗循环法的触头切换任务见表1所示

表1 双电阻过渡旗循环的触头任务表(R = n U匹配)

从表1知道，过渡触头的切换容量P k2 =［（1+2ncos￠+n）/2n］U s I N，以n为变量，令dP k2/dn=0，求解n的匹配值。dP k2/dn=(1/2)－(1/2n2）= 0，则n =1，即过渡电阻的匹配值为R = U s/I N 。

但是，为了保证分接开关工作可靠性，应尽量降低主通断

触头的恢复电压，过渡电阻匹配系数n也尽量取低。但n值取

低会引起环流的增加，过渡触头开断电流会增加，触头寿命也

就降低。如果要减少过渡触头的电流，过渡电阻匹配系数n必

然提高。为了满足上述两个相反的条件，试求切换总容量的最

小参数，从而导出过渡电阻新的匹配法。从表1知道，切换开

关总切换容量为：

即过渡电阻采用R=0.577U s／I N匹配值。从图4的P = f (n) 图4 触头任务与电阻匹配的关系

曲线看，恰好是P K l 4= f (n) 曲线的最低点。此时，过渡触头的

切换容量仅略有增加，但主通断触头的切换容量却大大降低，因此，分接开关工作可靠性大大提高。

⑵四电阻过渡旗循环法触头任务

双电阻过渡旗循环法的过渡电路见图5所示，其电弧触头变换程序为“2—3一2”程序，输出电压经过六次变化，输出电压变化的相量图(图6)外观仍象一面大旗，可以视为双电阻过渡旗循环的延伸。

K1

R1 K2

R2 K3

R2 K4

K5

R1 K6

图5 四电阻过渡电路

“2－3－2”程序图6 四电阻过渡旗循环相量图(R2= mR1)

四电阻过渡旗循环法(R1 = n U S / I N ，R2 = m R1 =m n U S / I N 匹配)的触头切换任务见表2所示。

表2 双电阻过渡旗循环的触头任务表(cosΦ = 1)

在四电阻过渡电路中，R1 = n U S / I N ，R2 = m R1 =m n U S / I N的匹配情况下，触头总切换容量P Kl6 (cos￠=1)为：

⑶单电阻过渡非对称尖旗循环法触头任务

单电阻过渡非对称尖旗循环法的过渡电路见图7a

所示。输出电压经过两次变化，输出电压变化的相量

图(图7b)外观很象一面尖旗。因电路非对称，故称它

为旗循环变换法。

(a) (b)

图7 非对称尖旗循环法的过渡电路和相量图图8 过渡电阻系数n与触头任务的关系

(a)－过渡电路 (b)－电压电流相量图(cosΦ = 1)

单电阻过渡单臂接法的选择开关过渡电阻匹配系数n对各触头任务的关系见图8所示。

从图8可以看出，随着n的增大，降压方向的主通断触头切换容量直线上升，而过渡触头切换容量却是下降，然而降压方向的切换总容量以及升压方向的主通断触头切换容量(即是切换总容量)开始随n增大而急剧下降，随后在0.51.5以后，切换

容量又上升。从图中可以发现，无论降压或升压方向，仅在n = 1时，其切换总容量最小。为此，单电阻过渡单臂接法的选择开关其过渡电阻只有一个最佳匹配方案n=1，即R=Us ／I N 。 2. 提高触头寿命的匹配

分接开关在众多动、定电弧触头中，只要其中一个触头烧损完结，则认为分接开关触头电气寿命完结。因而，需要更换全部电弧触头。要提高触头电气寿命，应力求电弧触头烧损均匀。从触头烧损量平衡角度来考虑，主通断触头和过渡触头的烧损比等于1，即两者烧损速度相等。过渡电阻匹配值大小对电弧触头烧损均匀有着一定的影响。 ⑴ 双电阻过渡旗循环法

触头烧损量用公式A = N ·K m ·I α

N · t 表示，式中N 为触头操作次数；K m 为触头材料的常数；α为指数，其值为1≤α≤2；t 为触头的燃弧平均时间。

在双电阻过渡旗循环法触头任务分析中可知，主通断触头开断电流I N 为N 次时，则过渡触头在最为恶劣条件(cos Φ = 1)下，其中开断电流(1＋n) I N /2n 为N/2次，另外开断电流(1－n) I N /2n 也为N/2次(考虑升降压次数趋于平衡缘故)。

假定过渡触头与主通断触头燃弧平均时间相等时，则主通断触头与过渡触头的烧损速度相等的话，其过渡电阻的匹配系数n 的解为：

NK m I αN t = (N/2) K m [(1＋n) I N / 2n ]α t ＋(N/2) K m [(1－n) I N / 2n ]αt [(1＋n) I N / 2n ]α ＋ [(1－n) I N / 2n ]α = 2

过渡电阻匹配系数n 的解见表3。

从表3 可知，当α=2时，触头烧损最佳匹 表3 α与n 值 配与触头任务最佳匹配是一致的。无疑，当过渡 电阻匹数系数n = 0.577时，过渡触头与主通断触头的烧损比较均匀，使用寿命较长。

对于双电阻过渡旗循环法的触头直接并联而成单相分接开关，从触头烧损角度来分析单相分接开关的过渡电阻最佳匹配情况。假定过渡触头有一些并联电弧，并联电弧的个数为p 个时（p = 1，2，3），则流过一个过渡触头的电流为：

I = Us / (3＋p) R ±I N / (3＋p) = [(1 / n )＋1] I N / (3＋p)

，于是，p 个过渡触头电弧引起p 倍的烧损，则主通断触头与过渡触头的烧损速度相等的

话，其过渡电阻的匹配系数n 的解为：

NK m I αN t = (N/2) K m [(1 / n )＋1] αI αN / (3＋p) αt ＋(N/2) K m [(1 / n )－1]

αI αN / (3＋p) αt

2 (3＋p)

α/ p = [(1 / n )＋1]α＋[(1 / n )－1]α

当1≤α≤2时，p = 1，2，3，则过渡电阻匹配系数n 的解见表4。

由于在实际中引起并联电弧的频率事先不知 表4 p 与n 值 道，则n 值就不能明确的肯定。 为此根据一些文献介绍，取n=0.33为好.

同样,三相分接开关两相触头直接并联使用时，

取n = 0.4为宜,此时触头烧损比较均匀。 ⑵ 单电阻过渡非对称尖旗循环法

当选择开关在降压方向时，主通断触头开断电流为I N ，过渡触头开断电流为I N / n ；而在升压方向时，主通断触头开断电流为I N (n 2－2ncos Φ＋1)1/2 / n ，过渡触头开断电流为零(I = 0)。为了简化考虑，令cos Φ ≈ 1。则主通断触头与过渡触头的烧损速度相等的话，其过渡电阻的匹配系数n 的解为：

(N/2)K m I αN t ＋(N/2) K m [1－(1/n) I N ] αt = (N/2)K m (I N /n)αt ＋0