相控断路器产品研制与工程应用交流（PPT30页)

平高电气（断路器事业部）二○一六年四月二日相控断路器产品研制及工程应用介绍目录一二三四选相的意义及控制要点产品研究及试验生产控制要点运行问题及解决措施一选相的意义及控制要点1选相分合闸的意义近年来，随着特高压、远距离、大容量电力网络的快速发展，尤其是特高压交直流输电技术的大发展，电网中的过电压问题更加凸显出来。在特高压电力系统中，断路器在关合时刻，系统将产生很高的过电压和涌流，尤其是在关合滤波器组、空载变压器、电容器组、并联电抗器和空载线路时，这样不仅对系统中的设备不利，还会影响继电保护的动作行为，以及电器设备的电气寿命等。为解决这些问题，将投入巨大的人力、物力和财力。一选相的意义及控制要点1选相分合闸的意义随着断路器检测手段和检测技术的不断发展，以及电网自动化、信息化水平的不断提高，选相分、合闸技术是解决特高压交直流系统分、合过电压和涌流问题的最佳方法。断路器选相分合闸技术(ControlledSwitching，简称CS)，是指通过一定的手段使断路器动、静触头在系统电压波形的指定相角段分合，使得滤波器组、空载变压器、电容器组、并联电抗器和空载线路等电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投切入电力系统的技术。CS技术能够大幅降低分合闸操作暂态过程中的过电压和涌流，从而提高电力设备的寿命和整个电力系统的稳定性。一选相的意义及控制要点2低压模拟选相关合涌流（摘自南网特高压直流系统计算书）低压模拟选相关合涌流情况：利用低压模拟随机合闸时的涌流高达8.12p.u.。控制开关的关合相位可以降低合闸涌流。接入相角为90o时涌流最大，接入相角为0o时最小。实际上，偏差为+1.0ms时，合闸涌流已可控制在3p.u.以下，涌流危害已经可以大大削弱。其中x表示角度，y表示涌流幅值，负误差角度涌流幅值可表示为y=-0.074487x+1.419（即每0.1ms幅值增加0.134Pu，0.074697*1.8=0.134）；正误差角度涌流幅值可表示为y=0.11117x+1.2852（即每0.1ms幅值增加0.2Pu，0.11117*1.8=0.20）。一选相的意义及控制要点3高电压涌流（摘自南网特高压直流系统计算书）以某±800kV直流输电工程交流换流站，断路器开断交流滤波器和并联电容器涌流为例，说明选相分合闸对过电压和涌流的抑制效果。断路器关合交流滤波器和并联电容器(额定电流300A)，抑制涌流效果见下表：最后通电的交流滤波器/并联电容器小组涌流峰值/kA（有选相合闸装置）涌流峰值/kA（无选相合闸装置）抑制幅度不考虑偏差考虑1ms偏差DT11/240.371.243.4635.8%DT13/360.431.574.5634.4%ST30.320.350.6157.4%C-Shunt0.543.6910.8634.0%一选相的意义及控制要点3高电压涌流（摘自南网特高压直流系统计算书）以某±800kV直流输电工程交流换流站，断路器开断交流滤波器和并联电容器涌流为例，说明选相分合闸对过电压和涌流的抑制效果。断路器关合交流滤波器和并联电容器(额定电流300A)，抑制涌流效果见下图：ZT:1124s0.5000.5250.5500.5750.6000.6250.6500.675.........-500-400-300-200-1000100200300400500kVVBrkAVBrkBVBrkC-3.0-2.0-1.00.01.02.0kAIAIBICZT:SCs0.4800.5000.5200.5400.5600.5800.6000.6200.6400.660.........-500-400-300-200-1000100200300400500kVVBrkAVBrkBVBrkC-15.0-10.0-5.00.05.010.015.0kAIAIBIC无选相有选相一选相的意义及控制要点4过电压（摘自《特高压交直流电网》，刘振亚）在超/特高压系统中，断路器的关合和开断都将引起操作过电压，330kV系统操作过电压要求不超过2.2p.u，550kV系统不超过2.0p.u，750kV系统要求不超过1.8p.u，1100kV系统要求不超过1.6p.u（变电站）、1.7p.u（线路沿线）。以特高压空载线路合闸为例，过电压最高可达4.0p.u，采用选相合闸控制技术，可将过电压限制在1.3p.u，满足系统要求。下面以550kV交流滤波器或电容器组投入运行时，换流站交流母线、滤波器或电容器组上，随机合闸、选相合闸方式投入时过电压水平对比结果见下表。断路器两侧过电压：692+720kV（随机，3.14p.u）/458+461kV（选相，2.05p.u）。母线电压（线电压峰值）测量位置过电压（峰值，kV，随机合闸/选相合闸）449kV交流母线692（1.54p.u）/458（1.02p.u）元件两端C1（1-2）720（1.60p.u）/461（1.03p.u）对地L1H（2）330（0.72p.u）/10（0.02p.u）一选相的意义及控制要点5适应标准IEC62271-100High-voltageswitchgearandcontrolgear；GB1984-2014高压交流断路器（基础标准）；GB/T11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求（基础标准）；GB/T30846-2014具有预定极间不同期操作高压交流断路器（偏重本体）；DL/T…—2016断路器选相控制器通用技术条件（偏重控制，编制中）。注：GB/T30846-2014、DL/T…—2016等标准，其中许多专业术语规则、定义及试验方法，均摘自或借鉴基础标准。一选相的意义及控制要点6选相分合闸的基本原理由选相分合闸的基本原理可以看出，要实现选相功能，重点是控制断路器设备动作时间（断路器分合闸的稳定性）及预期目标投切时间（断路器预击穿时间，即RDDS曲线与频率的交点）。一选相的意义及控制要点7控制要点1.绝缘特性相控断路器控制要点一：断路器的绝缘特性，即预击穿时间与击穿电压特性间的关系，即拟合的RDDS值。根据分散性要求，包含所有预击穿电压值的两条极限RDDS曲线所包含时间小于±1ms，分散性按±1ms设定；若有超出±1ms范围的预击穿电压值，且数量较多，则不具备选相控制条件。一选相的意义及控制要点7控制要点二产品研究及试验1实验方案针对选相关合功能特性要求，实验的设计方案见右图。实验包括两方面的内容，机械稳定性实验及绝缘强度下降率（RDDS）特性实验。选相关合特性实验研究机械稳定性实验合闸时间是否满足±1msRDDS特性实验是RDDS特性分析分析最佳关合时间结束否二产品研究及试验2机械稳定性试验分析右图为断路器20次操作实验的合闸时间与操作次数关系图。断路器的合闸时间最大值为72.4ms，最小值为71.9ms，平均值为72.2ms，合闸时间偏差为0.5ms，满足合闸时间稳定性在±1ms范围内，因此该断路器满足选相关合的基本条件。二产品研究及试验3绝缘强度下降率（RDDS）特性实验要获得RDDS特性，首先要测量触头预击穿燃弧时间和预击穿时刻对应的电压值，即动态绝缘试验。为保证断路器在系统电压的每15度相位内均存在预击穿现象，在合闸操作时间间隔为5分钟的条件下，记录多组预击穿电压与燃弧时间。最后，通过分析实验数据得出RDDS特性曲线。示波器分合闸指令光纤发射器分压器断路器发电机电源直流整流器分合闸线圈光纤接收器光纤试验变压器二产品研究及试验4断路器最佳关合时间点关合过程中，触头间绝缘强度随触头间距的减小而下降，其绝缘强度下降率(RDDS)的绝对值kP与断路器合闸速度v的关系近似成正比，即：vtEdttduKPp)()(引入RDDS特征参数，即关合系数k,则有：KP=kωA，其中：ω电压角频率，A正弦电压幅值。当k1时，断路器的RDDS曲线斜率小于系统电压零点切线值；当k1时，RDDS大于系统电压零点切线值。上图给出了k1与k1两种情况下，RDDS与电压波形交点，且引入断路器合闸特性分散性σ对此的影响（如图中所示：k1时，交点α1、β1、γ1；k1时，α2、β2、γ2）。二产品研究及试验5电压对分合闸时间的影响平均分闸时间随电压变化曲线平均合闸时间随电压变化曲线各电压下分闸时间试验小结：1、随着电压升高，分、合闸时间逐渐变小，且电压差越大，分合闸的分散性越大；2、在相同操作电压下，分、合闸时间漂移量小于±0.5ms内。二产品研究及试验6油压对分合闸时间的影响试验小结：1、分、合闸时间随着油压减小逐渐增大；油压越低，分、合闸时间变大趋势越明显；2、随着油压降低，分、合闸时间的分散性逐渐增大。合闸随油压变化曲线分闸随油压变化曲线二产品研究及试验7气压对分合闸时间的影响试验小结：1、相同气压下，分、合闸时间漂移量小于±0.3ms；2、分、合闸时间随着气压升高有增大趋势，但总体可以认为，只要气压变化不是很大，对断路器分合闸时间的影响可以忽略不计。合闸随气压变化曲线分闸随气压变化曲线二产品研究及试验8温度对分合闸时间的影响试验小结：1、相同环境温度下，分、合闸时间漂移量小于±0.3ms，可以等同于机械分散性；2、在-10℃～50℃范围内，断路器分、合闸漂移量小于±0.5ms，环境温度影响基本可以忽略。当环境温度低于-10℃时，分、合闸时间漂移量明显增大，且温度越低，变化量越大。合闸随温度变化曲线分闸随温度变化曲线三生产控制要点1生产、装配控制要点对于相控断路器产品，要实现选相功能，其分、合闸时间的稳定性是控制的重点和要点，因此需做到：零部件100%检验；零部件可追溯标识；全程可追溯。三生产控制要点2分步工作要点原材料、零部件加工严格控制；对零部件标识、尺寸精测、运动零部件称重，进行分组配对；涉及传动的每一步装配需进行摩擦力测量；对配用的机构进行摩擦力测量；装配卡片及检验卡片沿装配步骤同步完善；200次操作进行磨合，特性复测。三生产控制要点3零部件尺寸测量和称重零部件称重记录卡三生产控制要点4摩擦力测量四运行问题及解决措施1模式选择目前，选相合闸装置一般提供两种控制模式：自适应模式和补偿模式。自适应模式：通过采集回路电流或辅助开关转换得到本次操作的实际合闸时间，作为下次操作的预期合闸时间。易使用于断路器频繁动作，环境温度变化不大的场合，根据上次分、合闸时间偏差自动进行下次补偿，可有效解决断路器长期运行，由于多次开断后触头磨损而造成的时间偏差。补偿模式：通过采集环境温度、油压和控制电压变化，利用已知的补偿关系曲线，准确预测本次操作的合闸时间。事先做好温度、油压及电压补偿曲线或参量变化数据存储于装置中，使用时调取并进行补偿。易使用于断路器长期不动作，控制电压、油压和环境温度变化较大的场合。四运行问题及解决措施2选相控制点设置问题：随着配置相控功能的高压断路器设备应用的增多和运行时间增长，在工程调试和运行过程中一些问题也逐渐暴露出来，如在选相合闸过程中，合闸相位偏出预设范围，合于系统电压峰值附近，造成明显过大的系统过电压和涌流，对系统稳定性产生了不利影响，即未满足预期的选相合闸控制效果。四运行问题及解决措施2选相控制点设置原因分析：机械特性变化选相控制技术对断路器合闸时间特性的连续性和一致性要求极高，一般情况下，合闸时间的机械分散性不允许超过±1ms。实际工程应用中，合闸相位控制目标为电气关合点，即断路器相应极中电流出现时刻，这和断路器关合预击穿特性相关，预击穿电压过高会导致预燃弧时间增长，关合电弧泻出能量大,将引起更多的触头烧蚀及熄弧介质裂化。结合断路器机械合闸时间分散性及介质绝缘强度下降率，控制预击穿发生在外施电压预设相位，才能实现同步关合，从而减少触头烧蚀和提高操作质量，抑制电路关合瞬时的暂态冲击。断路器带电运行时，随着其关合和开断次数增加，动、静弧触头由于电弧灼烧和磨损，电接触部分的形状和尺寸均会发生变化。长期老化或磨损会引起断路器的合闸时间发生变化，随着运行时间和操作次数累积，最终会导致相控断路器的合闸时间超出其关合相位预设范围。四运行问题及