GIS组合电器动特性分析方法的应用

梁煜健++高宜凡++梁若文++梁炳钧

摘 要 GIS组合电器具有良好的封闭性和绝缘性能，同时具有可靠的操作机构，但GIS组合开关做断路器动特性测试时，往往需要通过出线套管处接信号线取样，或将接地开关引出的接地排拆除，才能满足测量条件，实施十分困难，存在作业人员感电事故风险。若检修状态下断路器断口两端通过接地开关以及接地体短接，使用传统断路器动特性测试仪在断路器断口两端检测，无论断路器处于什么状态，检测结果始终是闭合状态，为解决这一问题，本文详细介绍了基于变压器模型理论的GIS组合电器动特性分析方法，并延伸到对隔离开关、接地开关的测试，通过技术手段将该项反措落实。

【关键词】GIS组合电器 动特性

高压断路器是开关电器中最为关键的一种电气设备，其作为绝缘和灭弧的装置，是发电厂和变电站中必不可少的电气设备。高压断路器在电力系统中肩负着控制和保护双重任务，其状态的好坏直接影响着电力系统的安全运行。高压断路器目前在检修时是两端通过接地刀闸连接大地，由于大地导通电阻很小，通常小于200毫欧，普通开关测试仪检测断口分合情况时，无论断口是断开或是闭合状态，均检测为断口闭合状态。使用普通开关测试仪测试，必须违章操作。本文通过研究的GIS组合电器动特性分析仪，解决了高压断路器两端在电气安全保护接地的状态下的一种新型高压开关断口测试方法，并通过大量的试验，验证了方法的实用性和准确性。

1 GIS组合电器动特性分析仪设计原理

GIS组合电器动特性分析仪以变压器模型为设计理论，通过两组变压器的高频信号耦合，得到动特性的各项指标，原理如图1所示。

在接地刀闸的通流本体上，安装高频信号发生传感器，即采用开口铁芯线圈环抱固定，构成第一变压器模型的一次绕组，接地刀闸通流本体构成第一变压器模型的二次单匝线圈。同时接地刀闸通流本体又构成了第二变压器模型的一次单匝线圈，在另一侧接地刀闸的通流本体上，安装高频信号接收传感器，即采用开口铁芯线圈环抱固定，构成第二变压器模型的二次绕组。

在第一变压器模型的一次线圈的两端施加高频交流电源Us，建立电磁场，为达到一定的时间分辨率，选择合适的电源频率。二次单匝线圈就会产生一个对应的感应电动势Up。

假定开关闭合后的回路电阻为r，辅助触头的电阻为R，那么：

合闸前的电流i=0；

主触头合上后的电流i=Up/r。

在接地刀闸（或接地线）的通流本体上，套入钳形电流取样器，即通用的钳形电流传感器，测到二次单匝导体的感应电流。分闸状态，由于电流回路开路，电流不能建立，合闸状态就会产生电磁耦合电流。对测试到的电磁耦合电流进行常规的高速采样录波，得到所需要的测量波形。电流波形开始建立的时刻，就是触头导通的时刻；电流波形开始消失的时刻，就是触头分断的时刻。

2 断路器两端接地分合闸信号采集处理

GIS组合电器动特性分析仪的技术关键与难点是采集信号处理，具体实现方法如下：

高压断路器的动静触头、与动静触头相连的地刀以及与两地刀相连的地网共同形成变压器模型中的环形铁心，该仪器在地刀卡入两把卡钳，其中一把卡钳为输入电流信号卡钳（相当于变压器原边），另外一把卡钳为输出采集信号卡钳（相当于变压器次边）。当高压断路器合闸时，上述环形铁心闭合，变压器模型处于工作状态，采集信号卡钳能够采集到信号，并以此判断为断路器合闸；当高压断路器分闸时，上述环形铁心没有闭合，变压器模型处于不工作状态，采集信号卡钳采集不到信号，并以此判断为断路器分闸。

由于各个变电站的地网结构不一样，地刀引线长度、粗细等都将影响变压器模型中的环形铁心，从而影响采集信号卡钳能够采集到信号的信号质量，增加了高压断路器合分闸判据的界定难度。变压器模型中的环形铁心的阻抗包括交流阻抗和直流阻抗，在断路器两端接地状态下影响更大的是交流阻抗。

環形铁心介质的感应电流公式为：

式中，U为输入信号卡钳的电流对环形铁心介质产生的感应电动势、R为环形铁心介质的直流阻抗、π为圆周率常数、f为双端接地测试使用的信号频率、L为地网的电感值、j为虚数。

由于GIS组合电器动特性分析仪使用的10kHZ信号频率的存在，导致感抗远大于直流阻抗（直流阻抗一般很小，如几十到几百毫欧），这样导致环形铁心介质内的感应电流的减低，该较低的感应电流将对接收信号钳产生较低的有用信号，从而导致双端接地测量信息采集的难度。

消除双端接地测量信息采集的难度，保证断路器分合闸信号测量准确性的技术解决方案是采用改变门限阈值设置方法进行解决。如果断路器处在合闸状态，而仪器状态检测显示为分闸，则表示由刀闸、地网、断路器等形成的闭合回路阻抗较大，应该降低合分闸阈值判断门限。但门限值的设定并不是越低越好、或越高越好。

当地网形成的阻抗较低，也就是测试条件较好，这样门限值越高，信噪比也就越高，测量也就不受环境干扰，测量也就更精确。如果门限设置过高，将导致输入端测到的有用信号低于设定门限值，会出现断路器处在合闸状态，测试仪的断口检测界面，“分”、“合”状态不停地闪烁，甚至显示“分”。地网形成的阻抗较高，也就是测试条件较差，也就是收信号钳收到的信号较低，此时门限值设定越低，也就越容易区分出断路器的合分状态。但如果门限设定过低，也就是信噪比过低，测量也就越容易收到干扰，甚至出现把接收信号钳直接接收到的发送信号钳的信号判断为有用信号。此时过低门限设置，测试仪的断口检测界面，“分”、“合”状态不停地闪烁，甚至显示“合”。可见，合理、准确设定门限阈值也是完成测试的关键。在实际测试时，要尽量将发送信号钳与接收信号钳远离，避免测试中的错误数据。

GIS组合电器断路器动特性分析仪现场动特性测试

现场应用GIS组合电器动特性分析仪进行试验时，应确保断路器两端的地刀接触良好。现场测试接线示意图如图1所示。测试基本原理是将图2中的断路器、电缆、地网和两个接地刀闸组成一个通流体，该通流体的闭合和断开是依靠断路器实现的，图中的信号发生器也就是电磁感应模型中的通电线圈，电流采样器也就是电磁感应模型中的感应线圈，在信号发生器的两端施加高频交流电源US，建立电磁场，为达到一定的时间分辨率，可选择合适的电源频率。同时电流采样器就会产生一个对应的感应电动势和感应电流i，对于感应电流i产生和消失的时间测量可对应出断路器的关合和开断时间。

下面就常规断路器和GIS组合电器双端接地状态下分别进行动特性测试的方法。

2.1 常规断路器测试

当断路器合闸时，由地网、刀闸、断路器主触头组成通流体部分是完整的，此时由信号发生电流钳产生的高频信号经过闭合回路，感应到电流采集信号钳，使其产生感应电动势，该电动势经过测试线输入到信号采集箱，经过整形、滤波传输到主机，主机通过数字滤波、FFT处理、阈值判断。当断路器分闸时，由地网、刀闸、断路器主触头组成通流体部分是断开的，虽然此时信号发生电流钳也在产生的高频信号，但电流采样信号钳采集不到高频信号，因此主机也采集不到信号箱的输出的高频信号。主机在合分闸过程中，不断接收信号箱送过来的采集信号，通过数字滤波、FFT处理、阈值判断等方法，分析出断路器的分、合闸时间和同期等动作特性。断路器两端接地接线示意图，如图3所示。

2.2 GIS组合电器测试

通常情况下，GIS组合电器的隔离开关和接地开关是联动机构，这样断路器通过隔离开关与母线和出线隔离后，断路器的动静触头通过接地开关接到大地，或通过铜排在壳体外接到铝合金壳体上。GIS两端接地接线示意图，如图4所示。

2.3 GIS组合电器隔离开关测试

通常情况下，由于GIS组合电器的隔离开关开断时不带有负荷，因而对其不做动特性测试要求。但是，近年来曾发生多起GIS组合电器的隔离开关不能正确动作的事件，非常有必要对GIS组合电器的隔离开关做动特性试验，以便及时发现GIS组合电器的隔离开关的该类隐患。测试母线隔离开关时，在母线上装设一组接地线，使用该仪器，测试方法同断路器测试方法；测试线路侧隔離开关时，将该仪器的高频信号发生器和数据采集箱分别安装在线路隔离开关量两侧的接地端上，与断路器的测试方法完全相同。

3 采用GIS组合电器动特性分析仪测量与传统测量方法对比分析

为了验证GIS组合电器动特性分析仪测量的准确性，分别采用传统的测量方法与两端接地测试方法在变电站现场对三个型号断路器进行分、合闸时间和同期性进行测量，合闸时间及同期性数据对比如表1所示，分闸时间及同期性数据对比如表2所示。其中，括号外的数据为传统测试方法获取的数据，括号内的数据为断路器两端接地测试方法获取的数据。

通过表1和表2可以看出采用GIS组合电器动特性分析仪测试和传统测量方法，在断路器合分闸时间测量上数据是吻合的，同时也验证了采用GIS组合电器动特性分析仪测试方法的准确性。

4 结论

本文通过对GIS组合电器动特性分析方法的研究分析，可得出如下结论：

（1）在高压开关两端电气安全保护接地的状态下，提出了采用GIS组合电器动特性分析仪进行动特性测试，测试结果能够满足断路器现场测试的要求。

（2）采用GIS组合电器动特性分析仪进行测试既满足对数据精度的要求，又有利于断路器的现场安全检修，完全可以可以代替传统测试方法。

（3）采用GIS组合电器动特性分析仪还可以对GIS组合电器隔离开关进行动特性测试。

（4）研究成果的应用，从技术上提升测试作业现场的安全水平，为该类设备违章问题找到了解决途径的同时，也将反措得到了有效落实。

作者简介

梁煜健（1982-），男，广东省肇庆市人。中共党员，大学本科学历，硕士学位，高级工程师、高级技师。在广东电网有限责任公司肇庆供电局工作。从事变电一次设备管理工作。

高宜凡（1982-），男，湖北省襄阳市人。中共党员，大学本科学历，硕士学位。2005年7月参加工作，工程师，高级技师。

作者单位

广东电网有限责任公司肇庆供电局 广东省肇庆市 526060