基于合闸录波提高交流滤波器断路器合闸时间稳定性措施及应用

罗 曦，甘 战，王小江，侯云川，杨 洋

（南方电网超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 引言

交流滤波器合闸涌流及过电压对直流输电系统的影响很大，而且断路器合闸时间分散性大造成交流滤波器合闸涌流及系统过电压是目前国内直流输电工程中存在的普遍问题[1-3]。选相控制效果与断路器合闸时间的不稳定性、预击穿特性及其不稳定性、选相合闸装置的控制目标设定策略息息相关[4]，减小交流滤波器合闸涌流及过电压对设备及电网的影响，研究交流滤波器断路器合闸分散性影响因素及改进措施很有必要[5-7]。

文中旨在研究交流滤波器SF6断路器合闸过程各个阶段对选相合闸的影响，从而提出交流滤波器断路器合闸稳定性的改进措施。

1 最佳合闸策略的整定原理

1.1 最佳关合相位理论计算

当断路器触头间隙较小时，SF6气体的绝缘强度下降率RDDS近似为一条倾斜的直线，经过电压0点与电压曲线相切的直线称为临界绝缘强度下降率（RDDS0）。RDDS与气体压强、触头运动速度、断路器的结构等多种因素有关[8-10]。

在不考虑断路器合闸时间离散性、绝缘强度下降率离散性的情况下，断路器绝缘下降率应为图1所示S曲线，其在图1中t0时刻合闸不发生预击穿，t0为电压过零点也是目标合闸时刻。此时，应将合闸时间定值Tset设为固有合闸时间t0，理论上将实现没有预击穿的合闸。但由于断路器机械动作时间本身存在离散性，图1中S1、S2代表偏离目标时刻±△T时间的两条绝缘下降率曲线，其余与断口电压的交点为对应的断路器关合时刻。

图1 合闸偏差与预击穿电压示意图

绝缘下降率RDDS与电压波形的交点即为发生预击穿时刻的电压，此电压值越大合闸涌流越大。

如果以电压过零时刻为目标合闸时刻，则在相同合闸时间偏差下，合闸时间提前与滞后所对应的合闸时刻电压值是不同的[11-13]。合闸时刻提前所对应的电压Up1远大于合闸时刻滞后所对应的电压Up2。

如果将目标合闸时刻向电压过零点滞后某一时间dt，则目标合闸时刻为tm=t0+dt，则提前合闸偏差对应的电压Up1将减小，而合闸时刻滞后所对应的电压Up2增大，如图2所示，通过选择合适的时间dt则可使Up1=Up2，从而达到减小合闸涌流的目的[14-17]。

图2 改变目标合闸时刻对合闸对应电压的影响

以A相断路器断口1为例，计算其最佳合闸时刻。

不考虑电压极性的影响，则A相断路器断口电压为

设SF6气体的绝缘下降率RDDS速率为kRDDS，目标合闸时刻为tm，由操作机构引起的随机偏差为，电压过零时刻为t0，由SF6气体的绝缘下降率RDDS应位于以下两条直线之间[18-20]：

分别求解式（1）与式（2）及式（3）的交点，可得到SF6气体预击穿的电压值Up1和Up2为

改变目标合闸时刻tm的值，即改变dt值，满足Up1=Up2的时刻tm，即为偏差△T时最佳合闸时刻。

需在目标时刻tm合闸，但断路器固有动作时间t0不能改变，则应缩短控制器的合闸时间定值使断路器合闸于过零点之后，合闸时间定值应设为Tset=tm-dt。

1.2 工程实际中遇到的问题

由上述理论可知，为得到理想中的合闸整定时间，需要在工程实际中知道开关动作时间的离散区间δ和开关的绝缘下降率RDDS，才能求得dt，从而得出合闸时间定值Tset。

2 基于现场合闸录波数据分析

2.1 合闸时间分散性影响因素

影响断路器合闸时间稳定性主要与选相合闸控制器、操动机构动作时间、断路器预击穿性能（即断路器灭弧室绝缘强度下降率）三部分有关[21-22]。

选相合闸控制器稳定性主要与控制器硬件系统及系统参考电压频率有关，在系统稳定的情况下，控制器的动作时间偏差较小。

操动机构动作时间由于其结构复杂，其动作时间受直流控制电压、操作液压油压力、断路器动作次数、断路器合闸速度、环境温度等多重影响。根据操动机构的结构不同，各因素对其动作时间的影响关系也不尽相同。在实际工程中该部分偏差特性，我们可以通过进行多次开关动作特性试验，得出其动作时间偏差。

而断路器的预击穿性能（断路器绝缘强度下降率）则受开关动作速度、灭弧室SF6气体压力、动静触头平整度等因素的影响。在断路器合闸过程中，当SF6气体的绝缘下降率RDDS小于某一临界值时，即使断路器的目标合闸点设置在电压过零点，也存在预击穿现象，RDDS下降越多，预击穿时间越长，合闸角偏差越大，其关系如图3所示。

图3 绝缘强度下降率与外施电压的关系

图中K1代表分别断路器的绝缘强度下降率，绝缘强度越高，其斜率越大。直线K1a、K1b为相同绝缘强度下降率K1在时间轴的水平移动，其代表了由于开关动作时间离散性的原因使得开关触头合闸时刻会与目标时刻偏差，从而导致曲线K1左移或右移。当绝缘强度下降率及开关动作时间离散性确定后，断路器的角度分布也能确定，即在t3-t4之间变动。

在实际运行过程中，我们只能通过录波波形确切得知断路器的预击穿时间，断路器绝缘下降率的确定由于在标准中未对其有明确要求，国内生产厂家基本没有对该数据进行测试，且针对国内500 kV交流断路器并无该类公开数据，故无法从厂家数据中得出相关断路器绝缘强度下降率的数据。

为了更准确的求得整定合闸时间定值Tset，我们需要确定开关的绝缘下降率。

2.2 基于合闸录波的绝缘下降率分析

针对某换流站561号开关分别调取了四个时间段共29组合闸录波数据进行分析，具体数据见表1。

表1 561号断路器合闸时间数据

由表1可知，在2019年05月26日的三次合闸波形中可以发现，561号断路A、B、C三相可以在目标角180°合闸，如此可以确定此时该断路器绝缘强度下降率大于等于RDDS临界值，即大于等于67 kV/ms。

根据GB/T 30846-2014《具有预定极间不同期操作高压交流断路器》中资料，高压气体断路器触头烧蚀对RDDS的影响，烧蚀过的断路器和新断路器相比，其RDDS略有下降（约2%）。从2019年5月至2020年2月，该开关仅运行不到一年，可以忽略。

按照图3所示，当断路器发生预击穿时，断路器合闸时间时间受预击穿电压Up和绝缘强度下降率影响kRDDS。

由图3可知，合闸时间为

式中，dt=Up/kRDDS；预击穿电压Up=0.5Um|sinθ|。式（6）可写成

以561号开关A相2020-03-06 08：45：55时刻数据为例，Up=72.5 kV，设该断路器绝缘强度下降率等于RDDS临界值，则kRDDS=kRDDS0=67 kV/ms，则此次实际合闸时间为76.47 ms，其中dt=Up/kRDDS0=1.08 ms。

由于以上算例中的kRDDS为假设值，通过现有数据只能确定断路器的kRDDS大于RDDS临界值kRDDS0。在不同kRDDS下，推算的断路器合闸时间见表2。

为方便计算，此处引入关合系数k，令kRDDS=k·kRDDS0。

表2给出的现场调取的561号断路器以A相为例，5轮共29次合闸录波进行了分析，可得出如下结论，即

表2 不同关合系数k下561号断路器A相的推算合闸时间

1）关合系数在0.9～1.6变化时，推算的平均合闸时间随着关合系数的增大，合闸时间平均值和标准差有所减少，合闸时间平均值的变化范围561 A相为0.6 ms左右，B相 和C相 为0.2 ms左右。从 中可以看出561 A相合闸时间的离散性较B、C相更大在每一轮的合闸录波数据分析时，断路器的关合时间、推算的合闸时间离散性不大。但若将29次合闸数据完全统计，可以发现，断路器实际关合时间离散性较大。

2）在现场运行过程中，在一定时间间隔内及时调整断路器动作时间，将很大程度上能够提高断路器选相合闸效果；

3）在现场检修过程中可以通过数次合闸时间测试，得到断路器合闸时间的平均值、标准差，通过统计附近时间段的断路器合闸录波数据，从而推算不同关合系数下的合闸时间平均值与标准差。当某关合系数下的合闸时间平均值与标准差与现场试验结果吻合时，该关合系数对应的绝缘下降率则为该断路器实际绝缘下降率。

由于检修预试规程中对现场合闸特性试验没有次数要求，现场检修时一般只测一次额定电压、额定操作油压下的合闸时间，故无法得到现场运行工况一致的多次数据。

561号断路器合闸2019年5月26日时间测试数据见表3。

表3 561号断路器合闸时间数据ms

根据站内开关型式试验数据，110%额定电压下平均合闸时间比100%额定电压平均合闸时间高出1 ms左右，现场运行操作电压为105%额定电压左右，以此推测561号断路器A相合闸时间为74.8 ms，对应表4.6中2019年5月26日关合系数k=1.5时平均合闸时间74.83 ms相对应。

据此，可以假设561号断路器的关合系数k=1.5，即该断路器的绝缘下降率为kRDDS=k·kRDDS0=1.5×67=100.5 kV/ms。

3 整定时间应用算例分析

3.1 现场算例计算

在第一节提供了最佳关合相位的整定原理，但该整定原则效果的好坏，很大程度上依靠断路器绝缘下降率选取的准确度。

根据第二节的现场合闸录波数据，根据561号合闸时间的偏差，计算其最优合闸时间，并提出了561号断路器的合闸整定时间的修正值。

具体计算流程见图4。

图4 断路器关合时间整定值计算流程图

具体计算方法如下，即

1）统计实际测量的断路器关合时间推算下的合闸时间，偏移合闸时间差。

表1中合闸整定定值A、B、C三相分别为74.5 ms、75.1 ms、74.7 ms。

2）以最大时间偏差作为断路器合闸时间随机偏移量。

根据表2中关合系数 下的合闸时间推算，在2020年3月1日-3月6日六次合闸录波统计的平均合闸时间如表4所示。

表4 推算合闸时间（关合系数k=1.5）

由此可知，断路器平均合闸时间T0A=76.15 ms、T0B=75.93 ms、T0C=75.53 ms。随机偏差△TA=3δA=0.81 ms、△TB=3δB=0.96 ms、△TC=3δC=0.24 ms。

3）以上节所述的计算方法迭代求解式（5.11）和式（5.12），当满足Up1=Vp2条件下的dt对应的目标合闸时刻tm即为偏差△T时最佳合闸时刻。

输入以下参数：关合系数；随机偏差：△TA=0.81、△TB=0.96、△TC=0.24，系统电压：Um=428.7 kV，系统周期：T=20 ms；平均合闸时间：T0A=76.15 ms、T0B=75.93 ms、T0C=75.53 ms。得到合闸时间的修正量为dtA=0.54 ms，dtB=0.63 ms，dtC=0.48 ms时，满足Up1=Up2条件。

4）561号断路器A、B、C三相的合闸时间定值应设为TsetA=t0A-dtA=75.61 ms，TsetB=t0B-dtB=75.30 ms，TsetC=t0C-dtC=75.05 ms。

3.2 现场应用分析

将561号断路器A、B、C相合闸定值按照3.1节改进后的合闸时间定值进行整定。对561号断路器合闸时间改进前后效果进行分析，如表5所示。

从表5可知，在针对合闸时间定值改进后，A、B、C三相的合闸涌流分别降低62%、33%和8%。561号断路器A相合闸时间在原定值基础上增加了1.1 ms，涌流抑制效果有明显改善。561号断路器改进前后合闸效果图见图5、图6。

表5 561号断路器合闸时间改进前后合闸录波数据分析

图5 561号断路器改进前合闸效果

图6 561号断路器改进后合闸效果

通过对最佳合闸策略的研究，提出了现场断路器选相合闸时间定值设置策略的切实可行的方法，并通过现场运行数据，结合上述方法进行算例分析，得到现场最佳合闸相位的合闸时间定值。通过现场工程的实际应用，验证了该方法对抑制交流滤波器合闸涌流能有很好的效果。

4 结语

文中结合现场断路器合闸录波数据，提出了断路器最佳合闸时间整定方法，改进了断路器合闸时间的分散性和断路器合闸角的控制，在降低断路器合闸产生的涌流及过电压方面取得了较好的效果。但在交流滤波器断路器运行过程中，外部环境温度、操作电压以及系统频率都可能发生变化而引起实际合闸时间与整定时间偏差。因此。今后将从以下几方面进一步深入研究：

（1）在有条件的情况下，应将环境温度、操作电压、操作油压等信号接入选相合闸控制器，根据离线测量的曲线关系进行合闸时间修正，并验证合闸效果进行结果反馈。

（2）建立基于合闸录波分析的合闸效果分析专家系统，通过后台采集合闸录波，软件自动分析合闸角度、合闸时间离散性、涌流、过电压大小等参考量，自动进行多维度分析，并对合闸角控制效果差的断路器进行预警，提醒运维人员该断路器选相控制需要调整。