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1、高压断路器的试验本讲稿第一页，共二十八页概述 高压断路器性能试验的目的是为了考核、研究断路器的各种性能，检验灭弧室及其它部分的结构设计、制造工艺和材料选择是否正确合理。对于高压断路器最重要的功能即开断短路电流这种现象来说由于开断过程牵涉到的问题极为复杂、对熄弧机理和电弧理论的研究还远远落后于实际的需要，目前还不能完全依靠理论分析和定量计算的方法设计出符合各项开断性能和其它要求的开关设备，很多问题都必须通过试验进行验证。本讲稿第二页，共二十八页试验项目名称机械性能方面：机械操作试验、运动特性试验、密封试验、防雨试验、破冰试验、耐寒试验、耐地震试验、机械寿命试验等。载流性能方面：长期发热试验、回路
2、电阻测量、短时耐受电流试验、峰值耐受电流试验。开断与关合性能方面：短路开断与关合能力试验、失步开断与关合试验、小电感电流开断与关合试验、空载长线开断与关合试验、电容器组开断与关合试验，近区故障开断试验等。绝缘性能方面：有工频耐受电压试验、冲击耐受电压试验、绝缘电阻测量、泄漏电流试验、介质损耗角正切值测量等。特殊环境适应性方面：湿热带气候条件试验、高原气候条件试验、污秽试验等。本讲稿第三页，共二十八页高压断路器的试验分类研究性试验：在产品设计制造前所进行的必要试验，以确定设计的依据和结构参数，特别是对灭弧系统。产品试验型式试验：对高压断路器作性能、质量等方面的全面的研究和考核。参考性试验：型式试
3、验以外的性能验证试验。试运行试验：产品经过一段时期的工业实际运行的考核。出厂试验：保证产品的可靠性，对每一台产品都进行。预防性试验：高压断路器在运行过程中所需进行的试验。本讲稿第四页，共二十八页型式试验项目(1)绝缘试验，包括工频耐压试验，雷电冲击耐压试验，操作冲击耐压试验，人工污秽试验，局部放电测试，辅助回路和控制回路的工频耐压试验。(2)机械试验，包括机械特性试验，机械操作稳定性试验(常温下)，端子静拉力试验。(3)主回路电阻测量。(4)温升试验(长期工作时的发热试验)。(5)短时耐受电流试验和峰值耐受电流试验(热稳定试验及动稳定试验)。(6)端部短路条件下的开断与关合试验。(7)其他条件
4、下的开断与关合试验，包括近区故障条件下的开合试验，失步条件下的开合试验，异相接地条件下的开合试验，额定短路开断电流下的连续开断能力试验(电寿命试验)，临界电流的开合试验。(8)容性电流开合试验，包括线路充电电流的开合试验，电缆充电电流的开合试验，单组电容器的开合试验，背对背电容器组开合试验。(9)小电感电流的开合试验，包括开合并联电抗器的试验，电动机的开合试验(空载、起动时)，开断空载变压器的试验。(10)无线电干扰电平测试。(11)环境条件下的试验，包括高、低温试验，湿度试验，淋雨试验，覆冰条件下的试验，密封试验，地震考核，噪声水平测定。本讲稿第五页，共二十八页开断能力试验一、开断能力试验的
5、条件二、开断能力试验的方法本讲稿第六页，共二十八页1.电源电压（工频恢复电压）试验回路的工频恢复电压应不小于规定值的95%，并应至少维持0.1s。在发电机试验站中，为了获得所要求的工频恢复电压值，在短路期间内，可以暂时地增强试验发电机的励磁。对于规定的基本短路试验方式，工频恢复电压在上述的95%最低值的条件下，应遵循以下规定：a)对于在三极断路器上进行三相试验，工频恢复电压的平均值应等于断路器的额定电压除以3。任何一极的工频恢复电压与电压保持时间终了时刻的电压平均值的偏差不超过20%。b)对于在三极断路器上进行单相试验，其工频恢复电压应等于相对地电压值与首开极因数(1.3或1.5)的乘积；经过
6、额定频率一个周波的间隔后，工频恢复电压可以降低到。c)对于单极断路器，其工频恢复电压应等于断路器的额定电压U。工频恢复电压应在试验回路每相中断路器的端子上进行测量。其有效值应在示波图上在电弧最终熄灭以后试验频率的半个周波和一个周波之间的时间间隔内确定，见图。应量出从第二半波的波峰至其前一半波与其后一半波的两波峰间的连线间的垂直距离(分别为U1、U2和U3)，将此值除以再乘以合适的标度，即为所记录的工频恢复电压有效值。本讲稿第七页，共二十八页2.瞬态恢复电压 瞬态恢复电压波形因实际回路的布置不同而异。在某些情况下，特别是电压高于100kV的系统中，短路电流相对于所考虑点的最大短路电流而言是比较大
7、的，瞬态恢复电压包括一个高上升率的起始阶段，继之而来的后一阶段上升率比较低。这种波形一般适宜于用四参数法确定的三条线段所组成的包络线来表示。在另外一些情况下，特别是在电压低于100kV的系统中，或系统电压虽高于100kV而短路电流相对较小且经变压器供电的条件下，瞬态恢复电压接近于一种阻尼的单频振荡波，这种波形适宜用于两参数确定的两条线段所组成的包络线来表示。本讲稿第八页，共二十八页3.开断电流中的直流分量本讲稿第九页，共二十八页4.开断的电流（基本的短路试验方式）基本的短路试验系列应包括如下规定的试验方式T10T10、T30T30、T60T60、T100sT100s、T100aT100a。开断
8、电流可以偏离规定值，对试验方式T10、T30要求不大于规定值的20%，对试验方式T60要求不大于10%。在试验方式T100s、T100a的开断试验中，其短路开断电流峰值应不超过断路器额定短路关合电流的110%。为了试验方便，在试验方式T10、T30、T60中，允许在开断操作之前省去关合操作。在试验中各次开断操作之间的时间间隔与其额定操作顺序相同。本讲稿第十页，共二十八页试验方式T10 试验方式T10由额定操作顺序组成，在规定的瞬态和工频恢复电压下开断10%的额定短路开断电流，其直流分量小于20%。试验方式T30 试验方式T30由额定操作顺序组成，是在规定的瞬态和工频恢复电压下，开断30%的额定
9、短路开断电流，其直流分量小于20%。试验方式T60 试验方式T60由额定操作顺序组成，是在规定的瞬态和工频恢复电压下，开断60%的额定短路开断电流，其直流分量小于20%。本讲稿第十一页，共二十八页试验方式T100s 试验方式T100s由额定操作顺序组成，其试验参数是：规定的100%额定短路开断电流，规定的瞬态和工频恢复电压，规定的额定短路关合电流和规定的外施电压。其直流分量应不超过20%。当对三极断路器的一极进行单相试验时，或者当试验设备的特性不可能在规定的外施电压极限、规定的关合电流、规定的开断电流和和规定的瞬态和工频恢复电压下进行试验方式T100s时，可将试验方式T100s中的关合和开断试
10、验按下列方式分开进行：试验方式T100a试验方式T100a仅适用于时间间隔等于制造厂规定 的断路器的最短分闸时间加额定频率的半个周波，触头刚分离瞬间的直流分量大于20的断路器。试验方式T100a由三个分闸操作组成，各次开断之间间隔3min。其试验参数是：100%额定短路开断电流，其直流分量百分数等于规定的合适的额定值；以及规定的瞬态和工频恢复电压。本讲稿第十二页，共二十八页5.功率因数功率因数多相回路的功率因数应取为各相功率因数的平均值。试验时，此平均值应不超过0.15。任意一相的功率因数与功率因数的平均值的差别不应超出平均值的25%。本讲稿第十三页，共二十八页6.操作顺序 有以下两种可供选择
11、的额定操作顺序：(1)OtCOtCO。除非另有规定，则 a)t=3min，对于不用作快速自动重合闸的断路器；b)t=0.3s，对于用作快速自动重合闸的断路器(无电流时间)；c)t=3min。注：用于快速自动重合闸的断路器时，也可采用t=15s(用于额定电压小于或等于40.5kV)和t=1min。(2)COtCO。t=15s，对不用作快速自动重合闸的断路器。此处：O代表一次分闸操作；CO代表一次合闸操作后立即(也就是无任何故意的时延)紧跟一次分闸操作；t，t和t为连续操作之间的时间间隔，t和t一般以分或秒表示，t一般以秒表示。如果无电流时间是可调的，则应规定调整的极限。本讲稿第十四页，共二十八页
12、开断能力试验装置断路器进行短路开断与关合试验时必须要有大功率的电源，即在短时间内能提供相当于电力系统短路时那样大的短路电流。试验时外加的电压和电流可以全部取自一个单独的电源，如电网、短路发电机和振荡回路；也可分别取自两个电源，其中一个供给电流另一个供给电压的合成试验回路。本讲稿第十五页，共二十八页网络试验与网络试验站利用电网可直接对断路器进行短路电流开断与关合试验或其它试验，通常称为网络试验或现场试验。试验时把被试断路器接在电网上。人为地造成短路故障，进行断路器的短路开断与关合试验。优点是不需要专门投资，又可进行三相试验，但缺点很多。(1)试验电流受到电网短路容量的限制。(2)瞬态恢复电压不易
13、改变和调整。(3)每进行一次短路开断试验意味着电网发生次短路故障、这样不仅对电力用户造成不良影响而且电网中电器设备经常受到短路电流的冲击也是不容许的。因此短路开断试验酌次数和开断电流往往受到很大的限制。为克服网络试验的部分缺点，常常在电力系统的枢纽变电所附近建立专供短路开断与关合试验的网络试验站。本讲稿第十六页，共二十八页电抗器L用来调节短路电流，M为进线，TB为变压器，用以改变工频恢复电压，QD1为保护断路器，QD2为合闸断路器，QD3为被试断路器，C0、R0为调频电容和电阻，用以调节瞬态恢复电压。网络试验站的主要电器设备如变压器、电抗器与断路器等都是特殊设计的，能够经常耐受短路电流的冲击，
14、而且电压、电流与恢复电压的参数也可方便地进行调节，因而而试验比较方便。本讲稿第十七页，共二十八页短路发电机回路试验由于网络试验站的容量受到限制，利用网络试验进行研究工作仍不方便。为此，可采用专供短路开断、关合试验用的同步发电机作为试验电源。这种发电机称为冲击发电机或短路发电机。短路发电机应能提供很大的短路电流，还要经常耐受短路电流的冲击因此其结构构应该牢固，在电动力的作用下不至于损坏。本讲稿第十八页，共二十八页短路发电机试验的两种操作方法(1)突然短路 启动电动机M和励磁机R，使短路发电机G的转速达到额定值；调节发电机的励磁电流，使发电机电压达到额定值。然后将电动机的电源切除，同时使合闸断路器
15、接通试验电路，并使被试断路器开断，进行短路电流开断试验。利用发电机转子和飞轮的巨大的转动惯量，保证试验中发电机电压与转速基本稳定。(2)冲击励滋 试验前利用合闸断路器先将试验电路与短路发电机接通，然后启动发电机与励磁机。当发电机的转速达到额定值时突然加上冲击励磁电流，这时发电机的电压与短路电流由零开始急速上升，待增加到所需值时令被试断路器开断，进行短路电流开断试验。与此间时，由于冲击励磁电流常达到正常励磁电流的十几倍，所以必须迅速去磁，否则发电机电压过高会使绕组绝缘受到损坏。本讲稿第十九页，共二十八页 利用短路发电机可以进行三相短路电流的开断试验，它的等价性好，运行方式比较灵活。参数易于调节试
16、验次数与时间不受限制；还可进行自动重合闸试验，动、热稳定试验，近区故障试验以及其它开断试验等。这些优点是其它试验装置不能具备的。但建立一个装备有短路发电机的试验室，投资是很大的。远行维护的工作量也很大，操作也很复杂。而且用作直接试验时，容量仍然受到一定的限制。因此短路发电机也常常作为合成试验中的电流回路使用。本讲稿第二十页，共二十八页振荡回路试验充满电荷的电容器组C对电感L放电时，只要参数配合恰当即可得到工频50Hz的电流，这就是振荡回路的基本原理。试验时，先将电容器组C充电当电压达到Ucm，将充电断路器QD1打开，使充电的电容器组与变压器及整流装置隔开。被试断路QD2预先置于合闸位置，当合闸
17、断路器CCB关合电路后工频放电电流通过被试断路器，随后由被试断路器开断电路，考核其开断短路电流的能力。本讲稿第二十一页，共二十八页振荡回路中，电感线圈有一定电阻被试断路器开断后还将有电弧电阻。因此放电过程中电流与电容电压不再是等幅的正弦变化，而且幅值不断衰减的振荡波形。通常情况下，衰减主要由电弧电阻引起。当断路器的燃弧时间较长，电弧电压较高时，电流的衰减较大，将影响试验的等价性。振荡回路试验装置设备简单、投资少、运行方式比较灵活，适宜对电弧电压低、燃弧时间短的断路器进行研究性试验，即使断路器开断失败也不会造成断路器的严重损坏。缺点是只能对被试断路器进行单相、单分试验。对于电弧电压高、燃弧时间长
18、的油断路器，试验等价件差，不宜在振荡回路进行试验。本讲稿第二十二页，共二十八页合成试验回路 随着断路器制造水平的不断提高，断路器开断短路电流的能力日益增大。使用网络、短路发电机和振荡回路来进行大容量断路器的开断能力试验相当困难，而且也很不经济。因此，多年来各国都在研究比较经济有效的合成试验方法。本讲稿第二十三页，共二十八页(1)在电流过零电弧熄灭前，电弧电压很低。因此只需要一套电压较低的电源即能提供所需的电流。(2)在电流过零前后，电流很小但恢复电压很高。因此只需要一套电流很小、电压很高的小容量的高电压电源。本讲稿第二十四页，共二十八页由于上述两个特点，进行短路电流开断试验时就有可能采用两套独
19、立的电源：低电压大电流电源（简称电流源）及高电压小电流电源（简称电压源），来代替原来单独的高电压、大电流电源。这样的试验方法称为合成试验，试验回路称为合成试验回路，简称合成回路。合成回路的电流源可以是短路发电机或振荡回路，也可以直接利用电网，而电压源一般都采用振荡回路。合成回路虽然需要两变电源，但每套电源的容量都较小，总的设备投资比直接试验小得多，等价性也得到公认。现在国内外对于额定短路开断电流很大的高压断路器进行开断能力试验时毫无例外地都采用合成试验。本讲稿第二十五页，共二十八页 合成回路种类很多，通常可分为两大类：(1)电压引入回路。电流源提供电流过零前的大电流以及电流刚过零时的恢复电压；电压源紧接着提供高的恢复电压。(2)电流引入回路。电流源提供电流过零前的大电流，电压源在电流过零前就己作用在放试断路器上，电压源也提供一部分电流与电流源电流叠加征一起。电流过零时，电压源提供的恢复电压立即自动作用在断路器上。一般认为，电流过零前几百微秒时，电弧电阻很大。由于电流源的电压低，电流难以保持正弦形状会出现一定的畸变。因此，只有在电流过零前几百微秒时让电压源投入工作才能保证被试断路的电弧过程与实际电网中的开断过程基本一致。显然，电流引入回路的等价性要好一些。本讲稿第二十六页，共二十八页本讲稿第二十七页，共二十八页本讲稿第二十八页，共二十八页