天津電氣科學(xué)研究院有限公司 戴宇飛 張曉戈 杜然瓏 王 靜

萬能式斷路器作為低壓電力系統(tǒng)重要構(gòu)件，用于保護(hù)線路免受短路、過載以及欠電壓等故障。為避免線路和設(shè)備受到影響、能夠安全運(yùn)行，在投入使用前均需要進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試性能，達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)后才能投入運(yùn)行。短路保護(hù)特性試驗(yàn)是其中十分重要的一項(xiàng)，需要萬能式斷路器滿足短路保護(hù)的要求。

1 萬能式斷路器短路試驗(yàn)分析

1.1 短路試驗(yàn)電路

在萬能式斷路器性能測(cè)試中，主要進(jìn)行電流不平衡保護(hù)、接地保護(hù)、斷相保護(hù)以及短路保護(hù)幾項(xiàng)試驗(yàn)，上述實(shí)驗(yàn)要求電流激勵(lì)條件下開展，以準(zhǔn)確判斷斷路器性能。短路試驗(yàn)使用電路和電流保護(hù)一致，當(dāng)斷路器保護(hù)功能誤差控制在10%以內(nèi)判定為合格。測(cè)試系統(tǒng)要從小至大進(jìn)行電流性能測(cè)試，要求輸出電流處于0～7000A之內(nèi)。斷路器的結(jié)構(gòu)為三級(jí)變換式，單相調(diào)壓器具備電動(dòng)工作狀態(tài)，系統(tǒng)可通過閉環(huán)控制對(duì)輸出電流加以調(diào)整。電動(dòng)調(diào)壓器無法進(jìn)行連續(xù)調(diào)壓，電壓間隔最小值受到總匝數(shù)決定，在低壓變壓器和電動(dòng)調(diào)節(jié)器中間安裝自耦變壓器可滿足靈活調(diào)壓的要求，提高精度標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試電流是三相低壓變壓器產(chǎn)生的電流，為避免合閘后電路形成非周期性直流電流，在試驗(yàn)電路中安裝選相合閘，選相合閘裝置核心部件為可控硅控制器。

1.2 選相合閘

自耦調(diào)壓器。雙繞組變壓器主要采取T型模型，為了電壓和負(fù)載電流的便捷計(jì)算，使用一次側(cè)漏電感以及漏電電阻，變化等值電路可反映出變比變壓器。勵(lì)磁支路等效電感和電阻和串聯(lián)支路負(fù)載電感和電阻等均可從變壓器說明上獲得數(shù)據(jù)。由于變壓器勵(lì)磁阻抗遠(yuǎn)大于漏阻抗且并聯(lián)電流值小，按照并聯(lián)勵(lì)磁支路作為變壓器電源側(cè)計(jì)算，構(gòu)成等值電路，按照T型模型前移勵(lì)磁支路[1]。普通變壓器繞組存在磁路耦合，自耦調(diào)壓器繞組在磁路耦合基礎(chǔ)上和電路有密切關(guān)聯(lián)，自耦調(diào)壓器電路和參數(shù)和變壓器計(jì)算規(guī)則相同。因此按照普通變壓器模型進(jìn)行自耦調(diào)壓器的分析可行，但無論是電動(dòng)式還是多抽頭式，實(shí)際運(yùn)行過程中動(dòng)端位置處于不斷變化過程中，等值模型中參數(shù)也處于不斷變化中。

最佳合閘相角。將短路試驗(yàn)電路按照變壓器模型替換，可得到圖1所示電路模型：其中RT表示變壓器一次側(cè)、二次側(cè)等效漏電阻，LT表示一次側(cè)、二次側(cè)等效漏電感。α1～α3表示自耦調(diào)壓器動(dòng)端位置和變壓器的變比。要想消除非周期性直流分量，需讓功率因數(shù)角和負(fù)載功率因數(shù)角相同，當(dāng)功率因數(shù)角和激勵(lì)源起始相位保持一致情況下合閘，和以負(fù)載功率因數(shù)角作為判斷合閘時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)論一致。變化模型中阻抗可知，負(fù)載為輸入電壓激勵(lì)源的等效阻抗。功率因數(shù)角和斷路器銅排以及等效阻抗關(guān)聯(lián)密切，還和自耦調(diào)壓器、自耦變壓器的等效阻抗關(guān)系密切。

圖1 短路試驗(yàn)電路模型

2 短路保護(hù)特性試驗(yàn)

短路試驗(yàn)主要驗(yàn)證瞬時(shí)和延時(shí)保護(hù)動(dòng)作，按照斷路器產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)定，延時(shí)保護(hù)要求斷路器達(dá)到定時(shí)脫扣，電流整定值為0.4～15倍斷路器額定電流，定時(shí)為0.1/0.2/0.3/0.4s四個(gè)檔位，脫扣時(shí)間以及電流控制在10%以內(nèi)。斷路器要求瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)效性達(dá)到要求，能滿足定時(shí)脫扣要求，如斷路器殼架電流為整定值1/20～1倍時(shí)，定時(shí)要控制在50ms以內(nèi)，脫扣定時(shí)和電流控制在10%之內(nèi)[2]。

選相合閘智能解決消除非周期性直流分量，但還需考慮給斷路器增加激勵(lì)電流。以往短路試驗(yàn)通過電動(dòng)調(diào)壓設(shè)定額定電流條件，測(cè)定空載電壓數(shù)據(jù)，并計(jì)算出脫扣電流和空載電壓，但變壓器和調(diào)壓器均不是線性元件，計(jì)算輸出電流無法達(dá)到目標(biāo)。改用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，可利用補(bǔ)償系數(shù)自動(dòng)調(diào)整電流，提高電流精度。但斷路器之間存在差異，需經(jīng)過訓(xùn)練才能保證電壓補(bǔ)償系數(shù)的準(zhǔn)確性，因此并不滿足大量生產(chǎn)的需要。因此可對(duì)A、B、C單相分別測(cè)量短路保護(hù)動(dòng)作，按照規(guī)定考核電流，短路試驗(yàn)包括O和CO測(cè)試兩部分，分別進(jìn)行脫扣時(shí)間以及脫扣電流的考核。

按照測(cè)試項(xiàng)目和規(guī)格設(shè)定整定值，開啟短路瞬時(shí)或延時(shí)保護(hù)功能，將其他保護(hù)功能關(guān)閉。選相合閘裝置可任意角度合閘，從電動(dòng)調(diào)壓器最低端緩慢進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高輸出電流至斷路器完成脫扣試驗(yàn)。在斷路器啟動(dòng)脫扣動(dòng)作，要固定調(diào)壓器的具體位置，對(duì)短路電流、激勵(lì)電壓以及輸出電流的相位差進(jìn)行持續(xù)測(cè)量，對(duì)比電流整定值及輸出電流，判斷是否處于10%誤差范圍之內(nèi)[3]。將選相合閘裝置關(guān)閉，進(jìn)行合閘試品。測(cè)量合閘相角合閘，要一同對(duì)合閘時(shí)刻進(jìn)行測(cè)量，截止脫扣時(shí)間，對(duì)比電流整定值差異，將誤差控制在10%內(nèi)，判斷短路保護(hù)時(shí)間是否達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

3 案例分析

某低壓萬能斷路器作為生產(chǎn)廠重要控制設(shè)備，目前運(yùn)營(yíng)24年，出現(xiàn)多次跳閘，不明原因，該設(shè)備后備件稀缺，維修難度高。

3.1 故障檢修

分析故障原因，先拆下電子脫扣器，分解結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，除集成電路外還存在輔助連接點(diǎn)，使用插針對(duì)控制回路加以控制。通過對(duì)圖紙的翻閱，該控制器控制分?jǐn)啻嬖趦煞N方式：過流信號(hào)輸出，對(duì)脫扣器分?jǐn)噙M(jìn)行控制，達(dá)到過流保護(hù)的目的；由過流電信號(hào)對(duì)S16、S17接點(diǎn)進(jìn)行控制，脫扣器動(dòng)作可作為后備動(dòng)作、后于主保護(hù)動(dòng)作。分閘由脫扣器控制。分勵(lì)脫扣器電壓控制在額定電壓70～110%之間，遇到不同工作條件，要將分勵(lì)脫扣器快速脫扣，達(dá)到斷路器斷開目的。過流脫扣器主要在過載和短路條件下斷開。一旦電流整定值超過負(fù)載電流，斷路器會(huì)受到過流脫扣器作用進(jìn)行脫扣動(dòng)作。

連接斷路器和脫扣器，當(dāng)外施電壓降低至35～70%額定電壓時(shí)，欠壓脫扣器和斷路器連接應(yīng)啟動(dòng)動(dòng)作，及時(shí)完成脫扣動(dòng)作。處于過載工況下，S16節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)斷開脫扣器，對(duì)電流整定值的控制由過載控制器負(fù)責(zé)，控制器通過電信號(hào)來控制S16，欠壓線圈失電，脫扣器斷開。在短路情況下，S17輔助接點(diǎn)斷開脫扣器控制，電流整定值由電流控制器負(fù)責(zé)控制，通過電信號(hào)來控制接點(diǎn)動(dòng)作，線圈得電，將K12常閉，斷開脫扣器。

3.2 斷路器試驗(yàn)

通過大電流整定試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，改進(jìn)斷路器運(yùn)行穩(wěn)定性。先對(duì)各部件進(jìn)行驗(yàn)證。在斷路器上進(jìn)行分勵(lì)脫扣器試驗(yàn)，當(dāng)斷路器無電流，檢查額定電壓條件下脫扣器是否可將斷路器斷開；對(duì)欠壓脫扣器進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)欠壓脫扣器電壓降低時(shí)，緩慢降低額定電壓，確保欠電壓斷路器保護(hù)動(dòng)作斷開斷路器；進(jìn)行動(dòng)作極限試驗(yàn)，將額定電壓降低至35%以下，驗(yàn)證斷路器合閘。當(dāng)外施電壓超過85%額定電壓，保證斷路器合閘。將斷路器處于閉合狀態(tài)，在主電路無電流條件下連通110%電壓，驗(yàn)證脫扣器是否耐受，不會(huì)對(duì)斷路器其他功能受到損害。

3.2.1 短路保護(hù)特性試驗(yàn)

通電條件下斷路器控制器可以延時(shí)，根據(jù)反時(shí)限電路動(dòng)作，短路情況下不會(huì)出現(xiàn)瞬動(dòng)保護(hù)。定時(shí)任意測(cè)試時(shí)間可根據(jù)短延時(shí)整定時(shí)長(zhǎng)、整定電流、過流值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)負(fù)載和上下級(jí)要求選擇整定值。當(dāng)短路保護(hù)動(dòng)作特性達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行保護(hù)特性試驗(yàn)。在原本特性試驗(yàn)基礎(chǔ)上連接中繼檢測(cè)回路，檢查接點(diǎn)動(dòng)作狀態(tài)[4]。在電子控制器中找到X3插件，找到S17引出插針。連接中間繼電器進(jìn)行回路測(cè)試，期間繼電器維持額定電壓。S17保持常開狀態(tài)，繼電器保持常開狀態(tài)，和接點(diǎn)并聯(lián)后控制回路可自動(dòng)形成自鎖電路。S17接點(diǎn)動(dòng)作，繼電器通電后接點(diǎn)自鎖常開，讓繼電器保持動(dòng)作鎖定。通電檢查K1繼電器是否動(dòng)作。驗(yàn)證電子脫扣器保護(hù)動(dòng)作。若整定值分?jǐn)嗲襅1不動(dòng)作，證實(shí)短路主保護(hù)以及后備保護(hù)。斷路器整定值分?jǐn)嗲襅1動(dòng)作，則短路主保護(hù)正常運(yùn)行，后背保護(hù)出現(xiàn)故障。

3.2.2 過載保護(hù)特性試驗(yàn)

試驗(yàn)要在通電狀態(tài)下運(yùn)行。電子控制器具有延時(shí)功能，根據(jù)反時(shí)限動(dòng)作，根據(jù)額定電流、整定電流、整定時(shí)間，過載延時(shí)可達(dá)12s。過載時(shí)電子控制器通過2種方式分?jǐn)?。進(jìn)行后備保護(hù)特性試驗(yàn)，連接中繼檢測(cè)回路，驗(yàn)證S16接點(diǎn)動(dòng)作。在控制器插件上找出S16插針。連接繼電器測(cè)試回路，期間繼電器維持額定電壓。保持S16常開，將接點(diǎn)和K1接點(diǎn)并聯(lián)，控制回路構(gòu)成自鎖電路。S16動(dòng)作時(shí)，繼電器接點(diǎn)保持常開狀態(tài)，讓繼電器動(dòng)作鎖定。通過2倍電流試驗(yàn)判斷繼電器的狀態(tài)。對(duì)比脫扣器動(dòng)作驗(yàn)證結(jié)果的一致性。若整定值分?jǐn)嗲襅1不動(dòng)作，證實(shí)短路主保護(hù)以及后備保護(hù)。斷路器整定值分?jǐn)嗲襅1動(dòng)作，則短路主保護(hù)正常運(yùn)行，后背保護(hù)出現(xiàn)故障。

3.2.3 反時(shí)限不脫口特性試驗(yàn)

若電流整定值升高至1.05倍，不脫扣電流是指滿足脫扣器承載范圍但不會(huì)觸發(fā)動(dòng)作的電流。斷路器試驗(yàn)過程中合閘時(shí)間至少在2h以上，未觸發(fā)脫扣動(dòng)作。使用控制器插件找到插針，連接中間繼電器對(duì)回路實(shí)施檢測(cè)，測(cè)試過程中保證K1保持額定電壓。將S16、S17連接接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，繼電器通電后保持K1接點(diǎn)自鎖可以讓繼電器保持動(dòng)作鎖定。通電1.05倍電流檢查繼電器是否動(dòng)作，驗(yàn)證電子脫扣器保護(hù)動(dòng)作。

根據(jù)上述試驗(yàn)對(duì)斷路器故障進(jìn)行判定：若S16和S17接點(diǎn)良好接觸，可正常推動(dòng)電動(dòng)試驗(yàn)，檢測(cè)控制回路利用電路板測(cè)試，控制器電路若被擊穿，可更換電容后重新開始進(jìn)行整定試驗(yàn)，判斷試驗(yàn)動(dòng)作是否合格。

綜上，通過對(duì)短路保護(hù)特性試驗(yàn)的具體分析，評(píng)估斷路器性能和排查故障問題，相比于推算脫扣電流整定值，分析非周期性直流分量以及合閘相角，考慮脫扣電流值以及動(dòng)作時(shí)間能獲得更精準(zhǔn)的試驗(yàn)電流，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，評(píng)估斷路器性能。短路保護(hù)特性試驗(yàn)具有較高的準(zhǔn)確性和可行性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。