最新关于开关感应负载电流的试验经验和标准化进展
R.P.P. Smeets, L.H. te Paske
DNV GL KEMA Laboratories
Testing, Inspections amp; Certification
Arnhem, the Netherlands
摘要:近年来，对感应负载电流开关负荷测试的需求显著增加。与此同时，对IEC标准62271-110的一系列修改也已生效。这篇文章的目的是概述在12 - 550kv电压范围内使用断路器的感应负载开关的一些最近的测试经验，展示实际的例子，最新IEC标准的变化和解释。在第一部分中，将介绍电感开关占空比，它的典型特征和它的标准，iec62271 -110。
第二部分对真空断路器进行了研究。与SF6断路器相比，由于真空断路器中固有的中断高频电流的能力，其再点火模式有很大的不同。这是在国际大电网会议 A3.27关于高压真空断路器的内容里被认同的。2014年起，其技术手册589中展示并解释了用于分流反应器切换的真空断路器的测试实例，最高可达84 kV。
此外，着重强调和定量解释了高压电机开关的测试实例，以及由于多重起火和实际电流斩波而引起的过电压的测试实例。
第三部分研究了超高压断路器上的并联电抗器开关。测试的例子将使用550千伏断路器。
近年来的文献表明，越来越多的空心并联电抗器应用于特高压领域。我们将会证实，在这种情况下，TRV要求中超过那些规定的IEC标准，也可以得到满足。
关键词:断路器，试验，感应负载开关，过电压，并联电抗器，标准。
Ⅰ引言
传统上，断路器性能评估的重点是其中断故障电流的能力。虽然这是断路器的首要任务，但在配电网和输电网络中，更常规的小电流开关可能会引起更大的关注。这种负荷的一个例子是电感负载开关，在这种开关中，非常小的或适度的电感电流(通常只有几个安培到几百个安培)被中断，通常来自空载变压器、启动电机和并联电抗器。当接触间隙不够长，不足以承受瞬态恢复电压(TRV)时，电流的大小会导致(非常)小的起弧时间后的中断，然后再次点火。TRV为高频(1 - 10khz，视额定电压而定)，主要由电感和杂散电容决定。再点火，甚至多次再点火是允许的，由标准的[1]，只要它发生在第一个电流零。在并联电抗器切换过程中，多电流零点的长时间再点火是一个主要问题，测试的目的是量化再点火行为。中断过程的参数，更具体地说，重燃模式可用于预测实际情况下的过电压[2]。
一般来说，利用可控开关[3]，即在电流中断时保证介质有足够的间隙时，在“重燃窗”外实现接触分离的策略，可以避免再次点火。
小电流中断的另一个特点是，电流在自然电流为零之前会被轻微中断。这被称为“电流切断”，是由于非常强的SF6气体爆炸，需要故障电流中断。因为在跳闸时断路器不知道它需要中断的电流的大小，所以它的动作总是为最大电流做准备。这将导致(小得多的)电流在实际达到零功率频率之前被切断到几安培(切断电流)的水平。在真空断路器中也观察到同样的现象，这种现象是由于电弧在很小的电流下无法稳定存在。在感应负载切换中，有时即使在电流只有几安培的情况下，感应负载中存储的巨大磁能也会增大后续TRV的大小。
总之，小的中断电流是一个缺点而不是优点。在故障电流中断时，需要更大的接触距离进行中断，这使得瞬态恢复电压总是在更宽的接触间隙中发展。
在IEC相关标准IEC 62271-110中，规范了两种感应开关情况:
1）高压电机电流开关试验;
2）并联电抗器电流开关试验
标准中不再考虑空载变压器的开关(磁化电流中断，以前是IEC 61233的一部分)，因为无法使用测试实验室的线性组件正确模拟这种开关工作。使用可用变压器的测试不代表其他变压器。
电机电流开关试验
电动机在启动或停止时起感应负载的作用。测试的目的是证明断路器在这种情况下切换电机的能力，并确定其在切换过电压、再点火和电流切断方面的行为。由于感应开关过程是断路器与电路之间的相互作用，实验室测试的过电压数据不能直接传输到实际应用中。因此，断路特性可作为其他电机电路中断路器性能评估的依据。在测试实验室测量的过电压，因此不能直接移植到使用情况。由于实验室测试电路结构紧凑，一般认为实验室测试电路比实际应用的电机测试电路更为严格。
计算方法，为了从测试中以一定的准确性预测在现场预期的过电压，尽可能与并联电抗器开关，是一个重大的挑战，在电机开关情况下，因为涉及(多个)再点火过程的极高频率。这个过程完全由寄生网络元素控制。特别是真空断路器，由于其具有良好的中断再点火电流的能力，多次再点火现象时有发生。
这导致在电机替代测试电路的标准中对其高频特性有严格的定义(元件值和拓扑)。为了验证虚拟电流斩波的不存在，必须将这些测试作为三相测试来进行，即在一个相中，电流斩波是由相邻相中的高频重燃电流引起的。
图1显示了一个在中间阶段的虚拟斩波的清晰示例，在较低阶段的持续多次重燃之后。
虚电流斩波(VCC)已知会导致非常大的过电压，如图1所示，在图1中可以清楚地看到，过电压(通过断路器)为10 pu。从图中还可以看出，多次再燃瞬态可以达到很高的值。当不受保护时，它们的重复性以及故障时的快速变化率可能会对带有绕组的设备(如变压器)造成潜在的伤害。
在IEC标准中，规定了4种不同的测试任务共80种测试，每个测试任务20种测试，接触分离分布在9个电气度。检验工作在当前的差异(100和300A)和供应方电容(40 nF和1.75mu;F)测试电路。80个测试在一个典型的测试系列中应用12 kV真空断路器,45个测试导致多个重燃,其中6个发展到虚拟电流斩波的两个阶段，8个只有一相到达VCC(见图1)。VCC仅在供方电容较低的测试职责1和职责2中观察到。
图1:12kv VCB电机开关试验虚电流斩波，试验负载2[1](300a, 40nf作为电源侧电缆替代电容)。蓝色:电流;红色:VCB上的电压。
在图2中，将导致某一值(水平轴)以下过电压的试验累积分数(垂直轴)进行了比较。灰色区域表示所观察到的过电压，由于电流切断，所以当没有再次点火发生。可以看出，斩波过电压非常小，根本不需要担心。
根据试验经验，可以得出以下关于电机开关的结论:
电流斩波过电压可以完全忽略
多次再点火是导致高过电压的正常现象
虚拟电流断续(一两个阶段)在测试中经常发生，但只在电源侧电容较小的电路中观察到。过电压可能是巨大的，高负载电流(TD2)产生更高的过电压。
图2:IEC电机开关试验各试验工况下过电压累积分布图
Ⅱ并联电抗器开关试验
在IEC最新版本的感应负载切换标准中，包含了低于52 kV的开关并联电抗器的测试要求。这种电压需要进行型式试验，但只有当短路试验的TRV值对T10、T30的作用小于感应开关标准中规定的TRV值时，才需要进行型式试验。
与电机开关电路相比，与并联电抗器开关有关的测试电路的规范很简单:仅适用于指定的TRV。原因是在电机开关过程中，考虑了高频和三相相互作用现象的表征。原因之一是真空断路器在电机开关电压水平上的优势。真空断路器中断非常高频率的再点火电流，因此与测试电路的相互作用要强烈得多。SF6断路开关不存在这种高频相互作用。因此，只要满足规定的TRV参数，就可以从拓扑结构、杂散元件等方面实现并联电抗器开关高压试验电路。
图3:72.5 kV SF6断路器(上)和真空断路器(下)多次重燃时负载电抗的电压。kV垂直比例尺
随着高压真空断续器的出现，由于断路器的高频断路-电路相互作用技术的不同，这种通用方法可能会受到质疑。图3是一个例子，显示了在额定为72.5 kV、一个真空、一个SF6的断路反应器试验中多次再点火。研究断路器各技术的并联电抗器开关试验是否独立于电路拓扑、寄生元件等因素是必要的。
图4:建立550 kV死槽分流反应器试验。
近年来，市场上对并联电抗器开关试验的需求很大。因此，KEMA实验室将其进行并联反应器开关试验的可能性扩大到额定电压550 kV全极和800 kV半极。
图5:每IEC 62271-110 100 A并联电抗器电流断路试验期间的开关过程。较低:在第一个电弧电流为零时多次重新启动时，跨电抗器的电压放大。
一个挑战是是否有足够大的测试电抗器，仍然有足够低的杂散电容来满足标准的要求，等等。虽然最低的标准高压并联电抗器电流为100A，但在许多情况下，要求在较低的电流下进行测试，以防应用在较低的电流下，对于给定的电压，负载电抗器较大，且在开关过程中吸收更多的电感能量，导致更高的开关瞬态。标准高压并联电抗器电流(315A)的高端是用最高频率TRV来实现开关动作的。
同样从测量的角度来看，超高压并联电抗器的开关是一个主要的挑战，因为最快的瞬态必须被测量、记录和表征，并且这些是估计已有的过电压的计算模型的必要输入。
图4给出了在(单断路)550kv断路器中典型的并联电抗器电流中断测试装置的示意图。
图5显示了一个典型的开关过程，包括多次再点火。注意横跨反应器的电压从- 700kv到 700kv的时间比一微秒短得多。测试实验室必须配备能够捕捉这些极端瞬态的测量系统(有足够的分压器，快速的数据采集系统，EMC措施等。）
并联电抗器开关试验的目的不是对过电压或再点火周期的持续时间施加限制，而是验证再点火只发生在第一次灭弧电流为零时。这意味着断路器的恢复速度应快到最小起弧时间在8.3 ms以下，以确定在60hz的工频电流下，电弧不能在第二电流为零时再次点燃。
如图6所示，有三种情况，见图标题。请注意，在IEC 62271-110的2009年早期版本中，不允许出现第二次重燃的小写情况，而在最近的2012年版本中，则允许出现第二次(系列)重燃，前提是不存在工频电流的延续。
并联电抗器TRV频率高的原因是电抗器结构紧凑，特别是杂散电容小。在CIGRE技术手册50和IEEE应用指南C37.015中，可以找到典型的并联反应堆频率值。在图7中，这些是根据额定电压绘制的。
传统上，在中压应用中，采用干式和充油式并联电抗器。在电气上，一个主要的区别是它们的杂散电容。干式并联电抗器具有非常小的杂散电容，导致明显较高的振荡(和TRV)频率。关于分流器切换的IEC标准基于这些值，似乎很好地涵盖了应用范围。
图6:145kv SF6断路器按IEC 62271-110并联电抗器电流断路试验时的开关过程。上部:一电流零再点火;中:一、二电流零再点火，未通过[1]规范6.115.11的原因;较低:一、二电流零时重新点火，二电流零时不恢复工频电流:合格。
图7:IEC 62271-110测试电路分流电抗器(充油和干式)的固有频率和TRV频率与特高压空芯估计数的比较
然而，越来越多的空心并联电抗器直接与高压系统[5]相连。KEMA实验室的经验是，这种电压等级的空心高压电抗器的杂散电容最多为300 - 500pf。使用500 pF的估计数，与传统的油绝缘高压死罐并联电抗器类型的2000 - 4000 pF相比，可以清楚地看到，并联电抗器频率可以远远超出标准范围，其中1750 pF作为杂散电容进行了标准化。当直接连接到断路器时，空芯分流电抗器开关可能不包括在IEC标准中。
IV 结论
IEC感应负载开关标准IEC 62271-110对电机开关试验和并联电抗器开关试验提出了要求。
在电机开关试验中，多次复燃是很常见的现象，虚电流斩波是高频三相相互作用将负载电流斩波至零的常见现象。这将导致非常高的过电压，特别是在负载侧电容较小的测试中。
并联电抗器开关测试电路没有详细说明。这可能会导致测试结果的变化，这取决于电路的详细拓扑结构，一旦测试了对高频相互作用敏感的真空断路器。
由于在反应堆和测量系统上的投资，550 kV和800 kV的超高压断路器的并联反应堆开关试验现在已在常规基础上进行。
当实际工作电流低于标准值时，建议在实际工作电流下进行并联电抗器试验。
与高压线路直接相连的特高压空心电抗器，由于其TRV频率非常高，可能不包括在IEC标准中。
操作过电压真空断路器仿真研究
Daniil I.Ivanchenko and Nikita G.Novozhylov
摘要：过电压是电源系统中最常见的电气干扰类型之一。变压器、电抗器、电机等高工业负荷的切断是造成过电压的重要原因。本文致力于在Simulink MATLAB中对真空断路器的关断过程建模，用于电能质量问题的估计。真空断路器模型实现了暂态恢复电压、电流斩波和电弧的仿真。以某矿山电力系统为例，采用动态模型进行了过电压仿真。所得结果与现有实验数据进行了比较。
关键词：真空断路器、电弧、过电压、暂态电压恢复。
.介绍
真空断路器切断过电压是电力系统中过电压产生的最常见原因之一。这种过电压是由变压器、电抗器和电机等高电感或电容负载的切断引起的。这些过电压尤其适用于无相控开关的非接地中性点系统，这是典型的矿井供电系统。
过电压问题在煤矿井下供电系统中尤为重要。过电压引起绝缘劣化，由电气故障引起绝缘
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