断路器选相合、分闸技术

断路器选相合、分闸技术
摘 要：本文介绍了断路器选相合、分闸技术及选相控制断路器的组成，概述了选相控制断
路器的应用情况。
关键词：
选相控制 高压断路器 控制装置
１、问题提出
１．１断路器操作过电压
断路器的任务是关、合负荷电流及开断短路故障电流，保护回路上电器设备免受损坏，
而断路器在进行这些合、 分闸操作时产生的过电压及涌流现象， 都会危及设备的绝缘性及电
力系统电压稳定性，也会干扰回路上或附近回路上灵敏度高的电器设备正常工作。
以下分析变压器空载合闸的瞬变过程及单相电容器组开断的瞬变过程。
１．１．１ 变压器空载合闸时瞬变过程
变压器空载合闸时，可以列出下面方程ｉ０Ｒ１＋Ｎ１＝Ｕ１ｓｉｎ（ ωｔ＋ α）（１）
式中： Φ１—— 与原绕组交链总磁通；
α——合闸时电压ｕ１的初始相角。
由于电阻压降Ｒ１ｉ０很小略去，式（１）转变为Ｎ１＝Ｕ１ｓｉｎ（ ωｔ＋ α）
解为 Φ１＝－ｃｏｓ（ ωｔ＋α）＋Ｃ
初始条件：ｔ＝０时， Φ１＝０
得到Ｃ＝ｃｏｓ α
∴Φ１＝－ Φ
ｍｃｏｓ（ ωｔ＋α）＋ Φｍｃｏｓ α（２）
Φｍｃｏｓ（ ωｔ＋ α） 磁通的稳态分量
Φｍｃｏｓ α 磁通的暂态分量
（１）如果合闸时， α＝（即ｕ１＝Ｕ１ｍ合闸）则 Φ１＝－ Φｍｃｏｓ（ ωｔ＋）＝ Φ
ｍｓｉｎ ωｔ（３）没有暂态分量， 合闸后磁通立即进入稳定状态， 可以避免冲击涌流过程。
（２）如果合闸时， α＝０（即在ｕ１＝０的瞬间合闸）得到 Φ１＝ Φｍ－ Φｍｃｏｓ ω
ｔ （４）在合闸后半周期（ｔ＝）时，磁通达到最大值 Φ１＝Φ１ｍａｘ＝２ Φｍ。
铁心中磁通波形对时间轴不对称。 考虑剩磁 Φ０，则磁通波形再向上移 Φ０，从而使对
应磁化曲线工作点移向饱和区，因此在磁通变化时，会产生８倍～１５倍额定电流的涌流。
由于电阻Ｒ１存在， 合闸冲击涌流逐渐衰减， 一般小型变压器经过几个周波即可达到稳
态。
１．2 选相合、分闸技术
在“变压器的空载合闸时瞬变过程 ”中可以看到，如果触头闭合时，没有暂态分量，因为
触头合后， 磁通立即进入稳定状态。 所以在空载变压器合闸时，可以利用控制装置，使断路
器触头间电压为Ｕｍ时，完成触头闭合，即可消除冲击涌流。
在“单相电容器组开断时的瞬态过电压 ”中可以看到： 触头分开时， 电流的相位 φ０愈小，
这样在电流过零时， 触头分开距离愈大， 介质强度愈高， 也不易出现复燃及重击穿，弧隙在
电流过零后不会产生过电压。 所以在电容器组开断时， 可以利用控制装置， 使断路器触头分
开后产生的过电压最小。
２、断路器选相合、分闸技术
自７０年代提出断路器选相合、 分闸至今已有３０多年了，９０年以前，由于断路器水平及控制器水平发展所限， 一直停留在理论研究方面。 但是进入９０年代， 断路器制造水平
提高和基于微处理机、 微电子技术的测控技术提高， 用户对供电质量要求提高， 断路器选相
控制技术自９０年代中期迅速走向实用化，表现在欧美对选相控制断路器使用量迅速增加；
日本三菱电机公司开发的选相控制断路器已完成实用性验证， 该公司１４５ｋＶ选相控制断
路器已经运向美国。
选相控制断路器是由相位控制装置及高压断路器组成。 选相控制断路器能否达到过电压
及冲击涌流的抑制效果，其关键是操作时间准确度（即合、分闸时相位准确度） 。图８是合
闸操作时序。
２．１ 断路器特性要求
２．１．１ 不同场合对选相断路器特性要求不同
空载长线和并联电容器的合闸操作， 目的是为了达到减小回路中过电压， 尽可能降低断
路器触头间予击穿电压。
空载变压器和并联电抗器的分断操作， 目的是为了保证达到在电流过零时开断， 但应避
免断路器产生截流。如果选相分断之前产生截流，会形成截流过电压。
２．１．２ 断路器合、分闸操作分散性要小
为了实现选相操作， 断路器的操作机构性能要稳定， 才能减少每次操作分散性，取得准
确的合闸或分闸相位。每次合、分闸时间误差必须在 ±０．５ｍｓ以内。
断路器操动机构是一种典型的双稳态操动机构， 即操动机构具有将触头从合闸位置运动
到分闸位置， 或从分闸位置运动到合闸位置的功能。 多年来我国一直使用弹簧和凸轮组成的
弹簧操动机构， 这种操动机构具有较高可靠性， 但是由于弹簧不可控及较多传动零件， 因而
分散性很大。 磁力驱动的操动机构与传统弹簧操动机构相比， 在可靠性、 耐用性与动作时间
准确性方面具有更好性能。 由电力电子器件控制的、 一种特殊设计的、 结合带永磁的电磁系
统为触头的运动提供可控操动能量， 永磁体无需任何外部能量， 通过闭合磁路提供的锁扣力，
使灭弧室保持在分、合闸位置，因此永磁操动机构可以作为中压选相断路器的操动机构。
２．１．３ 断路器应具备三极独立操作
因为电源三相（即Ａ、Ｂ、Ｃ相）在相差上相应１２０ °，因此要实现三相选相操作，
断路器三相每个相要配置独立的永磁操作机构。 例如在三相变压器合闸时， 由于三相电压相
位彼此相差，要避免三相冲击涌流，必须在合闸时每相进行独立选相。
２．２ 相位控制装置
ＡＢＢ公司、日本三菱电机的相位控制装置结构如图１０所示。
２．２．１ 控制装置的硬件
信号处理和计时装置负责处理电压和电流信号， 在接受合／分闸操作指令后， 决定延迟
时间及发出合、分闸信号；控制单元通过开断单元和线圈电流探测器与永磁操动机构连接，
通过输入的位置传感器信号控制断路器极柱。
采用３２位ＣＰＵ单片机， 以确保高可靠性， 快速进行控制演算及电网质量分析等任务。
２．２．２ 控制器软件
控制器软件包含两大部分：
（１）应用软件： 负责电网质量分析， 断路器位置控制，电流过零计算和人机界面管理；
（２）系统软件：管理与硬件资源（信号处理单元、ＣＰＵ芯片、外部辅助设备）的接
口及应用软件时序。
为了保证合、分时间的稳定，需要对影响合、分时间稳定的参数采取补偿措施，这些参
数的作用为：控制电压修正；环境温度修正；触头烧蚀修正。这些修正可以通过软件补偿，
也可采用自适应检测的方法来补偿。
３、选相合、分闸技术应用３．１ 应用情况
我国截止１９９３年还没有应用实例。 但是在１９９８年我国已有一条输电线路的断路
器采用了选相控制断路器， 采用选相合闸代替合闸电阻方法限制合闸过电压。 ２０００年又
有２套选相控制断路器投入运行， 是用来限制并联电抗器分闸过电压。 ２００１年又有几套
选相控制断路器陆续投入运行，用于限制并联电抗器及并联电容器分闸过电压。
３．２ 选相合、分闸应用场合
３．２．１ 电容器投入场合
可以抑制过电压，抑制合闸涌流，其优点是可延长断路器检修周期及省去串联电抗器。
３．２．２ 电容器开断
可以防止复燃及重击穿，其优点是可以降低设备绝缘水平。
３．２．３ 空载变压器投入
可以抑制合闸产生的涌流， 其优点是可以防止继电器误动， 提高供电质量及省去合闸电
阻。
３．２．４ 电抗器开断
可以防止复燃，其优点是可以降低设备绝缘水平。
３．２．５ 电抗器投入
可以抑制过电压 其优点是可延长断路器检修周期。