双端接地条件下断路器时间特性测试创新方法研究

林忠立

（国网福建检修公司，福建 福州350000）

高压断路器作为合分电流的重要变电设备，需要定期停电进行合、分闸时间及相间同期性的时间特性试验。传统的断路器时间特性测试方法要求断开断路器一侧的地刀，随着变电站电压等级越来越高，变电设备感应电伤人和高处作业人身坠落的风险也越发突出。变电安规要求断路器在检修状态时，断路器两端需有效接地，而传统的断路器时间特性测试方法要求断开断路器一侧地刀，给现场测试造成了安全隐患，因此研究双端接地条件下的断路器时间特性具有很强的现实意义。

1 断路器单端接地时间特性的测试方法

传统断路器特性测试原理如图1，断路器特性测试仪在断路器断口两端施加一个电压等级较低的直流电压。当断路器处于分闸状态时，信号回路处于断开状态。测试仪器向断路器的合闸控制回路发出220V的脉冲电压时，测试仪的计算机开始同步计时。断路器控制回路收到脉冲信号，断路器操动机构开始驱动合闸过程，一段时间后，断路器动静触头良好接触，合闸过程结束，接在断口两端的信号回路接通，测试仪的计算机结束计时。从测试仪发出合闸脉冲电压，到测试仪的信号回路接通的过程所需的时间就是断路器的合闸时间。分闸时间测试同样采取断路器特性测试信号回路合闸“1”状态到分闸“0”状态的时间进行测试。

2 传统断路器时间特性测试方法的安全风险

变电站接地网主要以铜网构成，断路器两侧地刀的导通电阻一般小于50mΩ，因此不论断路器本身处于合闸状态还是分闸状态，断路器特性测试仪接在断路器断口两端的信号回路均可以通过地网导通，仪器判断断路器始终处于合闸状态。传统的断路器时间特性测试要求信号回路的通断状态在断路器合分前后必须发生显著变化，两端接地条件下的断路器无法开展时间特性测试。

为了能够测到断路器断口的分合状态，必须把一侧的地刀拉开，此时临近带电间隔对处于检修的断路器产生感应电压可达到20kV，甚至更高，造成高压感应电伤人的风险，安全风险辨识如图2。

图2 断路器单端接地时的感应电风险

对于GIS断路器，单端接地的作业风险则更大。因为GIS的断路器、刀闸、地刀的主体部分均位于GIS罐体内，信号回路测试线无法直接连到断路器两端的断口。在检修状态下，隔离开关将断路器与母线、线路间隔隔离后，断路器通过两侧的地刀由GIS金属壳体的接地端子与地网相连。传统测试方法要求在地刀合闸状态下拆除一侧地刀裸露在壳体外部的接地片，此时该侧地刀的分合闸状态机械指示仍然为合闸状态，导致了地刀分合闸位置指示与实际情况不符的安全隐患。

3 双端接地条件下时间特性的几种方法对比

鉴于单端接地条件下断路器时间特性测试存在安全风险，目前业内已探索出几种新的断路器时间特性测试，这些方法能够有效解决双端接地条件下断路器断口状态的识别问题。根据现场实际测试，以下着重介绍三种测试方法的原理、应用范围及不足。

3.1 并联电阻法

双端接地时，断路器在分合状态下与地网的并联电阻会发生变化，通过监测并联电阻的变化可用来分析开关的分合时间，这种方法称为并联电阻法，测试原理如图3。在现场测试时将仪器的20A直流恒流源与断路器的主触头和地网构成回路，电压采样单元分析通道并联在断路器断口两端。当断路器分闸时，断口两端电压为20V恒流源在地网上的电压降。而断路器合闸时，断路器电阻与地网电阻并联，开关电阻是μΩ级而地网电阻是mΩ级，此时恒流源在二者并联电阻上的电压降将减小。断路器合分时，特性测试以通过观察电压采样单元录制的波形变化起始点，即可判断出和分闸动作时的刚分、刚合点。

图3 并联电阻法测试时间特性的原理

经现场测试过程中，该方法在敞开式断路器上取得了很好的效果，如图4。但在GIS断路器上，这种方法难以取得令人满意的结果。GIS两端接地时，除了考虑地网的影响外还需要考虑GIS壳体电阻。以新东北ZHW-550型断路器为例，使用回路电阻仪对GIS断路器分、合闸状态下两端回路电阻进行测试。分闸状态下，壳电阻与地网电阻的并联值为240μΩ，而在合闸状态下，回路电阻值为60μΩ，分合闸状态下两者都是μΩ级，尝试将恒流源从20A加大到60A，断路器两端的电压降变化范围仍仅为3.6mV到14mV，分合状态下电压降太小，且波形幅值与信号噪声幅值接近，电压采样单元上无法看出明显的波形变化，电压波形上难以找到断路器断开和闭合的阈值。

图4 敞开式断路器测试波形

若继续加大恒流源电流，一方面大直流电流测试不安全，另一方面大容量直流电源现场使用极为不便。对各类型号的断路器进行测试，此种方法只适用于敞开式断路器双端接地下的时间测试，并不适用于大多数GIS断路器。

3.2 电磁感应法

断路器处于检修状态时，断路器、两侧地刀、地网及之间的导线组成一个断路器地网回路。利用交流电流电磁感应的原理，可以在断路器地网回路内增加一个信号发生器和一个电流采样器。通过电流采样器采集信号发生器在断路器地网回路内电流通断的时间节点，配合断路器特性测试发出分合闸脉冲的时间，得出断路器分合闸时间的测试方法称之为电磁感应法，接线原理见图5。图中的信号发生器和电流采样器为常见的钳形电流传感器。将这两个钳形电流表卡入断路器一端的地刀处，或GIS地刀的接地片处，一个钳形电流表作为信号发生器，另一个钳形电流表作为电流采样器。

图5 电磁感应法测试时间特性的原理

在断路器合闸状态下，信号发生器在断路器地网回路内感应出一个电流，电流采样器能够采样到这个交变电流，当断路器特性测试仪发出分闸命令，断路器地网回路断开，电流采样器将无法采集到信号发生器发出的交变电流，就可以监测断路器地网回路内断开过程。对测试到的感应电流波形录播分析，电流波形开始建立的时刻就是断路器触头合闸的时刻，开始消失的时刻就是断路器触头分断的时刻。配合分、合闸控制回路通电时间，就可以确定断路器的分、合闸时间[1]。

这种方法在敞开式断路器现场测试中取得了较好的效果，在部分GIS断路器上也进行了成功应用，但仍遇到了不少问题：一是变电站内电磁干扰对电磁感应法的影响，如某变电站开关场电磁干扰较多，信号采集器采集的信号质量较差，反复调整信号发生器的输出功率和采集器的判断阈值后，最终能够得出和传统方法一致的数据，但过程耗费了大量时间；二是钳形电流表的尺寸与GIS接地片不匹配，由于需要较大的信号感应接收功率，该型仪器的钳形电流表配置较大，常常造成无法穿进GIS罐体接地端子与接地片之间的空间；三是变电站地网、断路器两侧地刀直阻对测试的影响，信号发生器电磁感应产生的电流不大，当断路器地网回路内地网电阻较大或GIS地刀电阻较大时，信号接收器采集的电流更小，加大了判定断路器分、合闸的时间点界定的难度。

3.3 可变电容法

当断路器的动触头与静触头分离后，断路器的断口可以看成是一个可变电容[2]。动静触头分离瞬间，断口间的电容是无穷大的，而随着动触头与静触头距离逐渐增大，电容值逐渐减小，因此断路器断口的电路模型可等效为一个可变电容，这个可变电容与断路器两侧地刀及相应的断路器特性测试仪，可构成一个包含电阻和电容的RC回路，如图6所示。在特定频率下，这个RC回路可达到谐振状态，利用RC回路在断路器分合闸过程中，谐振点破坏及建立时间进行断路器时间特性测试的方法称之为可变电容法。

图6 断路器分、合闸可变电容模型

可变电容法是在断路器两端接入一个频率可调节的高频电压源，当断路器合闸时，调节电压源的频率，使整个RC回路达到并联谐振的状态，此时回路中电流值达到最小。当断路器分闸时，回路中增加了一个很大的断口电容，谐振条件被破坏，电流值迅速增大。断路器特性测试仪通过计算分闸脉冲发出时刻到RC回路谐振破坏时刻的时间差，就可以得出断路器的分闸时间。合闸时间则是仪器向断路器合闸回路发出合闸脉冲到断路器合闸的时间差。

为了验证可变电容法的准确性，分别采用了单端接地方法和双端接地方法对LWG9-252GIS断路器进行了分、合闸时间和同期性测试。现场将可变高频电源接在GIS断路器两端地刀的接地片上，可变电容法双端接地测试数据与传统单端试验数据对比见表1。可变电容法的测试数据与传统单端接地的方法在数据上是吻合的，数据准确可靠，现场操作也比较简单方便。

表1 可变电容法时间试验数据与传统方法对比（单位：ms）

在现场测试时，也发现了可变电容法在个别GIS应用上还存在一些不足。若地网导通电阻（还包含了GIS壳电阻）与断路器断口间的电容并联构成的RC回路中，回路的阻抗R非常小，将使得断口电容对谐振的破坏不明显，导致的电流上升不显著，仪器难以正确判断分闸瞬间。尤其是GIS制造厂往往设计断路器两侧地刀通过多个接地片与GIS壳体接地，使得整个RC回路的阻值将进一步降低。

3.4 不同方法间对比

对某省550kV变电站12台500kV敞开式断路器、12台220kV敞开式断路器、16台500kV GIS断路器、12台220kV GIS断路器分别运用上述3种新型测试方法和传统测试方法开展了对比测试，并联电阻法、电磁感应法和可变电容法在敞开式断路器上测试均取得了较好的成绩，但在GIS上的应用则均有提升空间，相关数据见表2。

表2 3种新型测试方法的应用效果对比

4 利用铁氧体磁铁改进可变电容法

对双端接地条件下GIS断路器时间特性几种测试方法的对比发现，可变电容法相较于并联电阻法和电磁感应法有不小的优势。现有的问题在于如何有效提高RC回路的高频信号阻抗。经过对可变电容法原理的思考和多次现场测试后成功利用铁氧体磁铁解决了这一问题。

4.1 铁氧体磁铁原理及作用

铁磁材料有外磁场时，磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的附加磁场。铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称之为磁滞回线。磁滞回线中磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化说明铁磁材料具有磁滞性，而磁滞回线中磁场强度为零时磁感应强度并不为零的现象说明铁磁材料具有剩磁性。

铁氧体磁铁主要由铁氧体构成，并利用高导磁性材料渗合一种或多种镁、锌、镍等金属在1200℃烧聚而成，制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色[3]。相较于普通铁磁材料，用于抑制高频信号的铁氧体磁铁具有很高的导磁率，影响其性能最重要的参数是导磁率和饱和磁通密度。饱和磁通密度是指用于磁通密度上的电流增加到一个点而铁芯的磁通却不增加的现象，铁芯饱和会导致激磁电流增大，铁芯发热。在功率计算模型中，铁氧体磁环等效电路由电感L和电阻R组成的串联电路，L和R都是频率的函数[4]。以A05型铁氧体为例，其整体阻抗频率曲线见图7。当导线穿过这种铁氧体时，所构成的电感阻抗在形式上随着频率的升高而增加[4]。因此，铁氧体磁铁能够将穿过其的高频信号能量转化为热能损耗，起到低通滤波器的作用。生活中铁氧体常用于各类电子信号传输线，制造成圆柱体环状将信号传输线包裹起来，起到滤波抗干扰的作用。

图7 A05型铁氧体磁铁阻抗频率曲线

4.2 铁氧体磁铁在可变电容谐振法上的作用

可变电容谐振法使用了高频交流电作为测试电源，存在的主要不足是当GIS断路器地刀通过较多接地片与外壳相连，或GIS壳电阻、地网电阻过小时，断路器地网RC回路的阻抗过小。为解决这一问题，可在地刀的多个接地片周围环绕铁氧体，利用铁氧体磁环提高其所环绕的导体的阻抗，增加接地回路中的高频阻抗，提高RC回路的整体阻抗，如图8所示。

图8

在可变电容谐振法测试过程中增加铁氧体磁铁后，同样对16台500kV GIS断路器、12台220kV GIS断路器进行测试，28台GIS断路器中有27台测试成功，应用成功率从85.71%提升至96.43%。一台220kVGIS断路器由于接地片与GIS壳体之间几乎没有空间，而无法将足够厚度铁氧体磁铁环绕住地刀，因此无法完成测试。

5 结束语

一侧接地条件下开展断路器时间特性测试，不可避免地带来了感应电伤人等安全隐患，通过积极采用并联电阻法、电磁感应法和可变电容法等双端接地条件下断路器时间特性测试的新方法，测试人员可最大限度减少一侧接地的工作环境，对比三种创新测试方法，可变电容法具有更高的应用成功率，配合铁氧体磁铁改进措施后，能够基本取代传统的测试方法。GIS断路器采用双端接地测试方法后，测试人员不需要再拆除地刀的接地片，减少了高处坠落的风险，也有效节省了测试时间。