负荷开关—熔断器组合电器转移电流开断试验回路浅析_李江.pdf

负荷开关熔断器组合电器转移电流开断试验回路浅析李江，费亚琴，郭强，刘宸（西安高压电器研究院常州有限责任公司，江苏 常州213017）摘要：为保证配电系统的安全可靠运行，负荷开关熔断器组合电器必须进行相应的型式试验。通过对负荷开关熔断器组合电器转移电流开断试验回路及相关要求的分析，讨论了转移电流（TDItransfer）试验要求以及试验回路的影响因素，并对这些因素的影响程度进行电磁暂态仿真模拟，为今后相关试验应用提供参考。关键词：负荷开关熔断器组合电器；转移电流（TDItransfer）；电源侧阻抗占比；TRVAnalysis of Test Circuit for Transfer Current Breaking Tests of Switchfuse CombinationLI Jiang，FEI Yaqin，GUO Qiang，LIU Chen（Xi an High Voltage Apparatus Research Institute Changzhou Co.，Ltd.，Jiangsu Changzhou 213017，China）Abstract:For ensuring safe and reliable operation of the distribution system，the switchfuse combinations must undergo corresponding type test.Throughout the analysis of the test circuit for breaking tests and related requirementsof the switchfuse combination，the test requirements of the transfer current（TDItransfer）and the influencing factorsof the test circuit are discussed，the electromagnetic transient simulation is carried out to evaluate the effects of thesefactors，which provide reference for future relevant tests.Key words:switchfuse combination；TDItransfer；supply side impedance ratio；TRV0引言高压负荷开关与限流熔断器串联组合成一体的电器称负荷开关熔断器组合电器(以下称组合电器)，该组合电器常用来保护电力变压器1-2。高压负荷开关熔断器组合电器是由熔断器来承担过载电流和短路电流的开断的。组合电器的转移电流取决于熔断器触发高压负荷开关的分闸时间和熔断器的时间电流特性。当熔断器的过载电流达到转移点区域时，最快熔化的熔体动作形成首相开断，触发撞击器在极短的时间内脱扣器机构联动，同时，其余两相的过载电流将减少至87%，并转移到高压负荷开关来开断，避免了缺相运行3-5。目前国网12 kV环网柜标准化设计应用量较大的为SF6气体绝缘环网柜，在开断电路时，转移电流往往大于负荷开关的额定电流，且在开断过程中，电源侧与负载侧将同时承受瞬时恢复电压(TRV)的影响，很可能导致电弧无法熄灭，不能起到保护其他电器的作用，组合电器也会因开断失败而损坏甚至危及操作者。提高负荷开关的转移电流开断能力是行业内关心的难点问题之一5-7。在实验室进行转移电流开断试验时，往往受限于实验室条件，无法提供两套TRV调节装置，以建立满足 GB/T 1692620098对于电源侧与负载侧TRV要求的试验回路，文中主要利用一台12 kV SF6绝缘型负荷开关熔断器组合电器为试品，设计满足标准要求的 12 kV/1.4 kA 转移电流开断试验(TDItransfer)回路。1试验回路设计与试验验证1.1 试验回路参数要求试验回路包括三相电源回路和负载回路，负载第59卷第7期：020702122023年 7月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.7：02070212Jul.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.07.023_收稿日期：20230119；修回日期：202303232023年7月第59卷第7期回路为R-L串联回路。参 照 GB/T 169262009 及 IEC 62271-105：2021试验回路的要求，对于电源回路，阻抗占试验回路总阻抗的12%18%之间8-9。对于负载回路，功率因数则应该是0.20.3(滞后)，且电源回路及负载回路的预期瞬态恢复电压应满足表1的要求8-10。表1TDItransfer预期TRV的标准值(额定电压12 kV)Table 1Standard values of prospective TRV for test dutyTDItransfer(rated voltage of 12 kV)位置电源侧负载侧电压峰值Uc/kV20.620.6时间t3/s611201.2 回路设计及试验验证为满足标准要求，试验回路原理图见图1，需在试品电源侧及负载侧均布置调频回路，以产生试品开断以后施加在试品电源侧及负载侧的瞬态恢复电压。以短路发电机为电源提供试验电压，L、XL、R用来调节满足标准要求的试验电流及阻抗占比，TO为试品。Cs、Rs用以模拟电源侧TRV，CL、RL用以模拟负载侧TRV，同时产生熔断器及负荷开关开断以后施加在断路器断口及两端对地的瞬态恢复电压。依据标准及欧姆定律计算得出试验回路的阻抗参数见表2，试验电流估算为1.43 kA，电源侧阻抗占比14.4%，满足标准要求。图1TDItransfer试验回路原理图Fig.1Test circuit for TDItransfer表2试验回路参数Table 2Test circuit parameters参数试验回路预期参数区试验电压/kV电源电阻RS/电源电抗XS/负载电阻R/负载电抗XL/电源侧阻抗占比/%负载功率因数回路总阻抗/电流值/kA数值12.000.140.680.924.0414.400.224.841.43要求值15.03.00.20.3试验回路阻抗计算完成后，需要对调频回路进行计算。采用文11-12的经验公式，当振幅系数K=1.4时f0=0.6712t3(1)按K、f0法调频回路参数计算：C0=I(2f0)2Up(2)R0=-4Lf0ln(K-1)(3)式(2)、(3)中：Up为相电压；f0为TRV等值频率；t3为两参数 TRV 波形中到达 Uc的时间；K 为振幅系数；L为回路感抗。联立式(1)-(3)，结合实验室现有电容与电阻，计算出电源侧与负载侧 TRV 参考值，根据经验，按式(1)-(3)计算结果接线所测得的t3偏小，且试验回路存在杂散电容，因此试验中还要结合回路设备对各参数进行微调，最终得到电源侧与负载侧TRV见图2、3，TRV参数见表3。图2试验回路参数Fig.2TRV(supply circuit)208图3负载侧TRVFig.3TRV(load circuit)根据前文计算，按照图1进行12 kV/1.4 kA转移电流试验，试验在三相回路中进行3次开断试验组成，3次试验中安装熔断器的极应不同，其余两极用两根阻抗可忽略不计的导电棒替代两极中的熔断器。实际试验中的示波图见图4，I为试品电流，U为试品电源侧电压，UL为试品负载侧电压，试验参数均满足标准要求，见表4。图4转移电流开断试验示波图Fig.4Oscillograph of TDItransfer表3TRV参数Table 3TRV parameters参数Uc/kVt3/s电源侧20.760.8负载侧20.8118技术讨论李 江，费亚琴，郭 强，等.负荷开关熔断器组合电器转移电流开断试验回路浅析 2092023年7月第59卷第7期表4试验参数Table 4Test parameters参数熔管额定电流/A开断电流/kA工频恢复电压/kV相/线A/AB1.2412.0B/BC1.2412.0C/CA1251.4212.02试验回路中影响因素与分析目前国网12 kV环网柜标准化设计应用量较大的为SF6气体绝缘环网柜，由电源、负荷开关、负载组成的回路，负荷开关触头分离后，触头间产生电弧，电弧电流过零瞬间，电弧有熄灭的可能，触头上产生暂态恢复电压，电压恢复过程中，弧隙间首先承受的是上升率极高的瞬态恢复电压，而触头间介质恢复比较缓慢，使SF6负荷开关在开断时极易产生热击穿，且负荷开断一旦发生击穿，极易在负荷开关触头间发展为三相短路，导致开断失败12-13，见图5。相关标准中对试验回路的电源侧及负载侧TRV均做了要求，电源侧TRV是出线端短路时电源回路的预期TRV，仅表示试验回路特性，不是实际运行时负荷开关断口的TRV，负载侧TRV为指数衰减波形，其峰值和衰减速度取决于负载回路，断口TRV为电源侧TRV和负载侧TRV之差14-15。图5转移电流开断试验失败示波图Fig.5Ocillograph of breaking test failed at the rated transfer current2.1 电源侧阻抗占比对TRV幅值的影响电源侧与负载侧调频回路参数与回路调试参数一致，不考虑回路冗余电容的影响，通过电磁暂态仿真计算，在不同的电源侧阻抗占总阻抗百分数时，电源侧和负荷开关断口TRV参数变化见表5。表5电源侧阻抗占比对断口间TRV的影响Table 5Influence of the power supply impedance ratio onthe TRV across open switch电源侧阻抗占总阻抗百分比/%101520断口间TRV峰值/kV23.222.421.1从表5可得出：电源侧阻抗对总阻抗的占比越大，断口间TRV峰值越低，对试品的实际考核偏松，然而相关产品标准中对TRV峰值均要求不能有负偏差，因此在试验时需要注意电源侧阻抗占比的要求。2.2 调频回路布置的影响与分析电源侧与负载侧阻抗及功率因数一致，采用模拟软件改变调频回路的布置16-17，见图6-8，试品两侧及断口间TRV值见表6。图6为仅投入负载侧TRV时所测得的负荷开关断口间TRV，此时，负载侧TRV满足标准要求，图7为仅投入电源侧TRV时所测得的负荷开关断口间TRV，图8为在负荷开关两侧均投入TRV装置。通过仿真分析可知：210图6仅投负载侧TRVFig.6TRV in load circuit图7仅投电源侧TRVFig.7TRV in supply circuit图8投双侧TRVFig.8TRV in supply&load circuit表6调频回路布置的影响与分析Table 6Influence and analysis of TRV control element调频回路布置仅负载侧仅电源侧双侧TRV电源侧TRV峰值/kV20.720.7负载侧TRV峰值/kV20.820.8断口间TRV峰值/kV-20.8-14.4(无明显起振)22.41)仅在负载侧布置调频回路时，在满足标准要求的负载侧TRV参数的情况下，试品断口间TRV参数偏低；2)仅在电源侧布置调频回路时，在满足标准要求的电源侧TRV参数的情况下，由放大图可见，试品断口间TRV峰值较低，且未见明显起振，与标准回路相比，对试品断口间的考核明显偏松，无法有效考核试品开断能力；3)需在试品电源侧及负载侧均布置满足各自TRV参数要求的调频回路，才能获得完全符合标准要求的试验回路，因此，如实验室仅能投入一套调频回路，则实验室将无法满足TDItransfer试验条件。3结语文中对负荷开关熔断器组合电器转移电流开断试验回路进行分析并实施试验的基础上，对影响试验回路的影响因素进行了分析，并通过仿真模拟，评估这些因素的影响程度。电源侧阻抗占比及调频回路的布置对试品开