高压交流断路器合成试验回路参数计算及其仿真研究

2021-10-27邢文奇张煜烽

通信电源技术 2021年10期

邢文奇，李阳，张煜烽

（河南省高压电器研究所有限公司，河南平顶山 467000）

1 合成试验回路

合成试验回路分为两大类。一是电压引入回路，电流源除提供短路电流外，还要提供瞬态恢复电压的起始部分，在由电流源所提供的恢复电压峰值附近，触发电压源引入瞬态恢复电压的高压部分。二是电流引入回路，电流源提供过零前的大电流。电压源在电流过零前就已经作用在被试断路器上，同时也提供一部分电流与电流源电流叠加在一起构成短路电流。电流过零时，电压源提供的恢复电压立即作用在断路器上。通过多年的实践已经证明，电流引入法与实际运行条件的等价性最好，因此国内外很多大容量试验站采用这种试验方式[1-10]。以电力网络作为电流源的合成试验回路原理如图1所示，其中T为短路冲击变压器，MS为保护断路器，MB为合闸开关，AB为辅助开关，TO为被试断路器，AL为人工近区故障链路，Cs为充电主电容，Ls为调频电感，R1、R01以及R02均为调频电阻，C1、C01以及C02均为调频电容，Gap为点火球装置，Cd为时延电容，Ld和Ls为调节电抗器。

图1 合成试验回路原理图

2 试验回路参数计算

调节电流源回路参数主要是为了满足试验所需的短路电流，而选择合适的电压源回路参数则是为了要满足熄弧点电流斜率di/dt以及弧后TRV的要求。高压交流断路器开断产生的TRV取决于回路参数（电容、电感以及电阻等）和断路器特性（电弧电压、弧后电导以及断口并联电容等）两个方面。对于试验来说，无需考虑断路器特性对TRV产生的影响，只要在开路条件下通过调节试验回路参数“制作”出符合标准规定的预期TRV波形即可满足试验要求。

根据文献[11]得出试验回路参数计算值。结合标准规定以及试验回路的杂散电容和电感等，利用Simulink仿真对计算值进行微调可得到如表1所示的回路参数投切值，回路中各个元件含义同图1，ucs0为Cs上的初始电压。

表1 电压源回路参数投切值

3 MATLAB/Simulink仿真实例

3.1 成功开断状态仿真

根据图1试验回路原理图，结合计算所得投切参数，利用Simulink建立试验回路仿真模型如图2所示，其仿真计算结果如图3所示。

图2 断路器合成试验回路仿真模型

3.2 故障状态仿真

在实际试验回路专门设置一个故障去测量各个元件的过电压是不现实的，因此有必要利用仿真方法分析故障时的过电压。断路器在合成试验过程中如果开断失败，由于辅助开关已将电流源回路隔离开来，此时回路中的电流仅由电压源提供，其值相对于试验电流很小，如图3（a）所示。因此本文不再考虑电流对回路元件的影响，重点对试验回路在故障状态下的过电压进行计算分析。试验过程中产生的过电压主要包括以下两种情况；（1）电压投入过早，电流源回路引入高电压；（2）试品开断后发生击穿产生过电压。

图3 正常开断情况下试验电流和恢复电压仿真波形

3.2.1 电压投入过早的仿真计算

分析图1试验回路可知，试品支路的合成电流是电流源工频电流和电压源引入电流之和。因试品分闸时间的分散性或时序控制整定错误等因素造成引入电流投入太早，同工频电流叠加，试品将提前开断，此时辅助开关因为反向引入电流的原因不能开断，隔离电压源和电流源的作用失效，高电压被引入至电流源回路。为模拟电压提前投入的情况，将图2中Gap的闭合时间提前500 μs，计算结果如图4所示。针对此类情况，可在电流源侧安装保护球或者避雷器，以避免高电压对电流源回路设备造成破坏。

图4 电压投入过早的试验电流和恢复电压仿真波形

3.2.2 试品重击穿的仿真计算

试品开断后发生重击穿产生过电压不会影响至电流源回路，因此仅考虑电压源回路，仿真模型运行计算结果如图5和图6所示。从图中可以看出，发生重击穿后，元件R01、R02以及L02峰值电压明显升高。这是因为发生重击穿时试品短路，试验回路中所有电容对试品放电，电流流过R01、R02以及L02形成过电压。特别是元件C02在试验过程中电压较高，其支路流过的放电电流较大。因此为避免设备受到损坏，可在过电压较高的设备附近加装避雷器。