斷路器選相合、分閘技術(shù)

斷路器選相合、分閘技術(shù)
摘 要：本文介紹了斷路器選相合、分閘技術(shù)及選相控制斷路器的組成，概述了選相控制斷
路器的應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：
選相控制 高壓斷路器 控制裝置
１、問題提出
１．１斷路器操作過電壓
斷路器的任務(wù)是關(guān)、合負(fù)荷電流及開斷短路故障電流，保護(hù)回路上電器設(shè)備免受損壞，
而斷路器在進(jìn)行這些合、 分閘操作時產(chǎn)生的過電壓及涌流現(xiàn)象， 都會危及設(shè)備的絕緣性及電
力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，也會干擾回路上或附近回路上靈敏度高的電器設(shè)備正常工作。
以下分析變壓器空載合閘的瞬變過程及單相電容器組開斷的瞬變過程。
１．１．１ 變壓器空載合閘時瞬變過程
變壓器空載合閘時，可以列出下面方程ｉ０Ｒ１＋Ｎ１＝Ｕ１ｓｉｎ（ ωｔ＋ α）（１）
式中： Φ１—— 與原繞組交鏈總磁通；
α——合閘時電壓ｕ１的初始相角。
由于電阻壓降Ｒ１ｉ０很小略去，式（１）轉(zhuǎn)變?yōu)椋危保剑眨保螅椋睿?ωｔ＋ α）
解為 Φ１＝－ｃｏｓ（ ωｔ＋α）＋Ｃ
初始條件：ｔ＝０時， Φ１＝０
得到Ｃ＝ｃｏｓ α
∴Φ１＝－ Φ
ｍｃｏｓ（ ωｔ＋α）＋ Φｍｃｏｓ α（２）
Φｍｃｏｓ（ ωｔ＋ α） 磁通的穩(wěn)態(tài)分量
Φｍｃｏｓ α 磁通的暫態(tài)分量
（１）如果合閘時， α＝（即ｕ１＝Ｕ１ｍ合閘）則 Φ１＝－ Φｍｃｏｓ（ ωｔ＋）＝ Φ
ｍｓｉｎ ωｔ（３）沒有暫態(tài)分量， 合閘后磁通立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)， 可以避免沖擊涌流過程。
（２）如果合閘時， α＝０（即在ｕ１＝０的瞬間合閘）得到 Φ１＝ Φｍ－ Φｍｃｏｓ ω
ｔ （４）在合閘后半周期（ｔ＝）時，磁通達(dá)到最大值 Φ１＝Φ１ｍａｘ＝２ Φｍ。
鐵心中磁通波形對時間軸不對稱。 考慮剩磁 Φ０，則磁通波形再向上移 Φ０，從而使對
應(yīng)磁化曲線工作點(diǎn)移向飽和區(qū)，因此在磁通變化時，會產(chǎn)生８倍～１５倍額定電流的涌流。
由于電阻Ｒ１存在， 合閘沖擊涌流逐漸衰減， 一般小型變壓器經(jīng)過幾個周波即可達(dá)到穩(wěn)
態(tài)。
１．2 選相合、分閘技術(shù)
在“變壓器的空載合閘時瞬變過程 ”中可以看到，如果觸頭閉合時，沒有暫態(tài)分量，因為
觸頭合后， 磁通立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。 所以在空載變壓器合閘時，可以利用控制裝置，使斷路
器觸頭間電壓為Ｕｍ時，完成觸頭閉合，即可消除沖擊涌流。
在“單相電容器組開斷時的瞬態(tài)過電壓 ”中可以看到： 觸頭分開時， 電流的相位 φ０愈小，
這樣在電流過零時， 觸頭分開距離愈大， 介質(zhì)強(qiáng)度愈高， 也不易出現(xiàn)復(fù)燃及重?fù)舸?，弧隙在
電流過零后不會產(chǎn)生過電壓。 所以在電容器組開斷時， 可以利用控制裝置， 使斷路器觸頭分
開后產(chǎn)生的過電壓最小。
２、斷路器選相合、分閘技術(shù)
自７０年代提出斷路器選相合、 分閘至今已有３０多年了，９０年以前，由于斷路器水平及控制器水平發(fā)展所限， 一直停留在理論研究方面。 但是進(jìn)入９０年代， 斷路器制造水平
提高和基于微處理機(jī)、 微電子技術(shù)的測控技術(shù)提高， 用戶對供電質(zhì)量要求提高， 斷路器選相
控制技術(shù)自９０年代中期迅速走向?qū)嵱没憩F(xiàn)在歐美對選相控制斷路器使用量迅速增加；
日本三菱電機(jī)公司開發(fā)的選相控制斷路器已完成實(shí)用性驗證， 該公司１４５ｋＶ選相控制斷
路器已經(jīng)運(yùn)向美國。
選相控制斷路器是由相位控制裝置及高壓斷路器組成。 選相控制斷路器能否達(dá)到過電壓
及沖擊涌流的抑制效果，其關(guān)鍵是操作時間準(zhǔn)確度（即合、分閘時相位準(zhǔn)確度） 。圖８是合
閘操作時序。
２．１ 斷路器特性要求
２．１．１ 不同場合對選相斷路器特性要求不同
空載長線和并聯(lián)電容器的合閘操作， 目的是為了達(dá)到減小回路中過電壓， 盡可能降低斷
路器觸頭間予擊穿電壓。
空載變壓器和并聯(lián)電抗器的分?jǐn)嗖僮鳎?目的是為了保證達(dá)到在電流過零時開斷， 但應(yīng)避
免斷路器產(chǎn)生截流。如果選相分?jǐn)嘀爱a(chǎn)生截流，會形成截流過電壓。
２．１．２ 斷路器合、分閘操作分散性要小
為了實(shí)現(xiàn)選相操作， 斷路器的操作機(jī)構(gòu)性能要穩(wěn)定， 才能減少每次操作分散性，取得準(zhǔn)
確的合閘或分閘相位。每次合、分閘時間誤差必須在 ±０．５ｍｓ以內(nèi)。
斷路器操動機(jī)構(gòu)是一種典型的雙穩(wěn)態(tài)操動機(jī)構(gòu)， 即操動機(jī)構(gòu)具有將觸頭從合閘位置運(yùn)動
到分閘位置， 或從分閘位置運(yùn)動到合閘位置的功能。 多年來我國一直使用彈簧和凸輪組成的
彈簧操動機(jī)構(gòu)， 這種操動機(jī)構(gòu)具有較高可靠性， 但是由于彈簧不可控及較多傳動零件， 因而
分散性很大。 磁力驅(qū)動的操動機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)彈簧操動機(jī)構(gòu)相比， 在可靠性、 耐用性與動作時間
準(zhǔn)確性方面具有更好性能。 由電力電子器件控制的、 一種特殊設(shè)計的、 結(jié)合帶永磁的電磁系
統(tǒng)為觸頭的運(yùn)動提供可控操動能量， 永磁體無需任何外部能量， 通過閉合磁路提供的鎖扣力，
使滅弧室保持在分、合閘位置，因此永磁操動機(jī)構(gòu)可以作為中壓選相斷路器的操動機(jī)構(gòu)。
２．１．３ 斷路器應(yīng)具備三極獨(dú)立操作
因為電源三相（即Ａ、Ｂ、Ｃ相）在相差上相應(yīng)１２０ °，因此要實(shí)現(xiàn)三相選相操作，
斷路器三相每個相要配置獨(dú)立的永磁操作機(jī)構(gòu)。 例如在三相變壓器合閘時， 由于三相電壓相
位彼此相差，要避免三相沖擊涌流，必須在合閘時每相進(jìn)行獨(dú)立選相。
２．２ 相位控制裝置
ＡＢＢ公司、日本三菱電機(jī)的相位控制裝置結(jié)構(gòu)如圖１０所示。
２．２．１ 控制裝置的硬件
信號處理和計時裝置負(fù)責(zé)處理電壓和電流信號， 在接受合／分閘操作指令后， 決定延遲
時間及發(fā)出合、分閘信號；控制單元通過開斷單元和線圈電流探測器與永磁操動機(jī)構(gòu)連接，
通過輸入的位置傳感器信號控制斷路器極柱。
采用３２位ＣＰＵ單片機(jī)， 以確保高可靠性， 快速進(jìn)行控制演算及電網(wǎng)質(zhì)量分析等任務(wù)。
２．２．２ 控制器軟件
控制器軟件包含兩大部分：
（１）應(yīng)用軟件： 負(fù)責(zé)電網(wǎng)質(zhì)量分析， 斷路器位置控制，電流過零計算和人機(jī)界面管理；
（２）系統(tǒng)軟件：管理與硬件資源（信號處理單元、ＣＰＵ芯片、外部輔助設(shè)備）的接
口及應(yīng)用軟件時序。
為了保證合、分時間的穩(wěn)定，需要對影響合、分時間穩(wěn)定的參數(shù)采取補(bǔ)償措施，這些參
數(shù)的作用為：控制電壓修正；環(huán)境溫度修正；觸頭燒蝕修正。這些修正可以通過軟件補(bǔ)償，
也可采用自適應(yīng)檢測的方法來補(bǔ)償。
３、選相合、分閘技術(shù)應(yīng)用３．１ 應(yīng)用情況
我國截止１９９３年還沒有應(yīng)用實(shí)例。 但是在１９９８年我國已有一條輸電線路的斷路
器采用了選相控制斷路器， 采用選相合閘代替合閘電阻方法限制合閘過電壓。 ２０００年又
有２套選相控制斷路器投入運(yùn)行， 是用來限制并聯(lián)電抗器分閘過電壓。 ２００１年又有幾套
選相控制斷路器陸續(xù)投入運(yùn)行，用于限制并聯(lián)電抗器及并聯(lián)電容器分閘過電壓。
３．２ 選相合、分閘應(yīng)用場合
３．２．１ 電容器投入場合
可以抑制過電壓，抑制合閘涌流，其優(yōu)點(diǎn)是可延長斷路器檢修周期及省去串聯(lián)電抗器。
３．２．２ 電容器開斷
可以防止復(fù)燃及重?fù)舸?，其?yōu)點(diǎn)是可以降低設(shè)備絕緣水平。
３．２．３ 空載變壓器投入
可以抑制合閘產(chǎn)生的涌流， 其優(yōu)點(diǎn)是可以防止繼電器誤動， 提高供電質(zhì)量及省去合閘電
阻。
３．２．４ 電抗器開斷
可以防止復(fù)燃，其優(yōu)點(diǎn)是可以降低設(shè)備絕緣水平。
３．２．５ 電抗器投入
可以抑制過電壓 其優(yōu)點(diǎn)是可延長斷路器檢修周期。