0 引言

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流,并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。为保证电力系统的可靠运行,高压断路器在投入运行前,必须通过大容量试验室的试验验证。但这些大容量试验仅能定性地检测型式试验开断与否,而无法提供评估断路器开断能力的更为详细的信息。

研究认为,电流过零前后数μs内的电弧电压、电流与断路器近区故障的开断能力密切相关^[1-4]。通过对上述参数的定量测量,零区测量设备可以评估高压断路器近区故障的开断能力^[5-6]。作为断路器开断能力的一种测试手段,零区测量还可以与断路器开断能力仿真预测方法^[7-10]、电弧黑盒模型^[11-13]等相结合,零区测量对研究电弧机理、提升断路器研发水平有重要意义^[14-16]。

20世纪70年代,日本学者已经使用同轴分流器、分压器作为传感器开发了零区测量设备,并对SF₆的电弧时间常数进行了试验研究^[1]。KEMA试验站^[2-4]开发了高分辨率的数字式零区测量设备,并依托其试验室,积累了大量的零区测量试验数据,对试验数据的分析结果显示,G_-200（过零前200 ns时刻的电导值）、G_-500（过零前500 ns时刻的电导值）可以较为准确地表征SF₆断路器的近区故障开断能力^[5-6]。此外,熄弧尖峰、电弧电压（简称弧压）下降率、弧后电流^[17-20]等参数也是评价断路器开断性能的重要指标。国内学者^[21]利用基于电流转移的断路器弧后电流测量方法,研制了测量装置,并测得了10 kV真空断路器合成回路试验的弧后电流。

本文介绍了零区测量系统的测量原理和设计难点,设计了专用的分压器、Rogowski线圈分别作为电压、电流检测的传感器,并对传感器进行了屏蔽和校验;选用HBM高精度光纤隔离数采仪,编制数据采集和处理程序,开发了一套零区测量系统,并使用该系统对电压等级为252 kV、额定短路电流为50 kA的罐式断路器进行了零区测量,以获得该断路器L90试验不同燃弧时间的零区数据,并对试验数据进行了分析,得到了一些有益的结果。

1 测量原理与系统组成

高压断路器零区测量的难点主要有以下3个方面：

1）不同时刻电弧电压、电流幅值差别较大,传感器量程难以兼顾。近区故障试验中,短路电流峰值高达上百kA,而弧后电流低至数百mA的数量级^[18]。同时,电弧电压仅有几kV甚至数百V^[2-4],而暂态恢复电压高达数百kV。

2）电弧电流、电压高低转换极快,对测量设备频率响应的要求很高^[2]。

3）测量回路分布电感、断路器断口电容的存在使得电弧电压、电流难以直接、独立测量。

很多传统的电流测量手段难以解决上述难题。如使用分流器这样的传感器测量上述电流,电流峰值输出过大同时过零前后又难以保证足够的分辨率;而线圈式互感器的响应频率低,动态跟随性较差。相比之下,Rogowski线圈可以较好地满足电弧电流的测量要求。由于Rogowski线圈直接测量的参数为电流变化率,因此其在电流过零附近的输出信号最强,对保证零区电流的测量精度极为有利。此外,Rogowski线圈具有响应速度快、非接触、不会饱和、几乎没有相位误差等优点,因此Rogowski线圈是零区测量系统电流传感器的理想选择。

对于SF₆高压断路器而言,试验过程中大电流阶段的弧压一般在几kV的范围内,且瞬态恢复电压可达数百kV,因此要确保整个范围内的电压测量精度难度高且无必要。鉴于上述情况,零区测量中对于电压传感器的要求有2点：首先是在电弧电压范围内要具备足够的分辨率和精度;其次是传感器要具备耐受高电压的能力。经过专门设计的阻容式分压器可以满足要求^[2-6]。

图1为零区测量系统的原理示意图。Rogowski线圈紧挨断路器低压侧出线端布置,分压器测量的电压包括电弧电压、回路分布电感L的电压这2部分。为了减少L的影响,应使用尽量短的连接线路。C为断路器的断口等效并联电容（应考虑套管、并联电容器的影响）。显然,Rogowski线圈和分压器直接测得的电流和电压量I_m、U_m与断路器内部电弧的电流I_arc和电压U_arc之间的关系如下：

\({{I}_{\text{c}}}+{{I}_{\text{arc}}}={{I}_{\text{m}}}\) (1)

\({{U}_{\text{L}}}+{{U}_{\text{arc}}}={{U}_{\text{m}}}\) (2)

式中：I_c为电容C的电流;U_L为电感L的电压。此外,应有以下关系成立：

\({{U}_{\text{L}}}=L\frac{\text{d}{{I}_{\text{m}}}}{\text{d}t}\) (3)

\({{I}_{\text{c}}}=C\frac{\text{d}{{U}_{\text{arc}}}}{\text{d}t}\) (4)

回溯式(1)—式(4),为了得到开断过程中的电弧电压U_arc、电流I_arc,仅测得I_m、U_m是不够的,还需要明确L、C的值。由于L、C为分布参数,试验设备的布置情况会影响其大小,因此需通过额外的试验来确定这2个参数。试验方法及过程详见第3章。确定L、C后,根据上述关系,可通过测得的量I_m、U_m反算出断路器近区故障试验过程中的电弧电压U_arc、电流I_arc,从而得到G_-200、熄弧尖峰、弧后电流等参数。

一般情况下,对于无并联电容器的断路器,断口电容约为数十pF,回路分布电感为数μH。

图1 电流零区测量系统原理电路 Fig.1 Schematic diagram of CZM system

假设断路器断口电容C=15 pF,回路分布电感L=8 μH,分析这2个参数对测量的影响。对于额定短路电流63 kA的断路器的L90试验,过零点的电流变化率为30.2 A/μs,恢复电压的上升率约13.6 kV/μs,此时：

\({{I}_{\text{c}}}=13.6\ \text{kV/ }\!\!\mu\!\!\text{ s}\times 15\ \text{pF}=194\ \text{mA}\) (5)

\({{U}_{\text{L}}}=30.2\ \text{A/ }\!\!\mu\!\!\text{ s}\times 8\ \text{ }\!\!\mu\!\!\text{ H}=242\ \text{V}\) (6)

上述I_c值与弧后电流大小相当,U_L与电弧电压相比也不可忽略,所以测量中必须采用上述方法消除L、C的影响,否则测量误差将不可接受。

测量信号通过HBM-HV6600光纤隔离数字化仪就地转换为光信号,并传输至数据采集仪和计算机。HBM-HV6600采样频率达到100 MHz,信号分辨率为14位,并且可以多通道同步采集。

2 传感器

2.1 Rogowski线圈

Rogowski线圈测量电弧电流的原理图如图2所示。图2中：U为输出电压;R为匹配电阻;M为Rogowski线圈的互感,L_c为其自感;i为线圈回路的电流。电弧电流过零前后几百ns区间内,电流变化极快,超出了一般Rogowski线圈的动态响应范围;此外,由于HBM采集设备阻抗较大（1 MΩ）,波阻抗不匹配,易带入额外的干扰。为此在采集器输入口并联电阻调整线圈时间常数（τ=L_c/R）,从而提高其电流测量的动态响应频率^[2]。测量系统中线圈的时间常数设计为430 ns,并通过对比试验验证该参数的合理性。对比结果如图3所示。与时间常数0.02 ns（阻抗为1 MΩ）相比,时间常数为430 ns时,电流过零点附近无信号震荡,且外部干扰较小,从而可以保证电流测量的准确性。

如图1、图2所示,Rogowski线圈与匹配电阻并联后接入采集器输入口。依据Rogowski线圈的测量原理和图2所示的连接关系,U与被测电流I_m的关系为

\(M\frac{\text{d}{{I}_{\text{m}}}}{\text{d}t}={{L}_{\text{c}}}\frac{\text{d}i}{\text{d}t}+U\) (7)

由于i=U/R,对式(7)两边积分得到

\({{I}_{\text{m}}}(t)=\frac{1}{M}\int_{0}^{t}{U({t}')\text{d}{t}'}+\frac{{{L}_{\text{c}}}}{RM}U(t)+K\) (8)

式中K为积分常数。

测量的目标参数I_m须按照式(8)所示的关系由直接测得的量U及测量系统常量M、L_c、R经过积

图2 Rogowski线圈测量电弧电流的原理图 Fig.2 Schematic diagram of arc current measurement by Rogowski coil

图3 并联电阻对信号震荡与干扰抑制效果 Fig.3 Inhibitory effects of parallel resistance on signal oscillation and interference

分运算得到。由于初始积分时刻的电流值未知,测量时以电弧电压零位确定I_arc的过零点^[2,19],即此时I_arc=0。根据式(1)和式(4),则过零点处I_m=I_c+0=\(C\frac{\text{d}{{U}_{\text{arc}}}}{\text{d}t}\),进而确定积分常数K。

参数M的确定需要保证采集仪的量程上限U_max和被测电流变化率极值dI_m/dt满足

\(M\frac{\text{d}{{I}_{\text{m}}}}{\text{d}t}<{{U}_{\text{max}}}\) (9)

大容量试验室中,电磁环境极其恶劣,因此测量过程中需要屏蔽外部电场和磁场,以减少它们对线圈的干扰。为此,针对性地设计了由铝材、硅钢制成的双层屏蔽装置。该结构铝材厚10 mm、硅钢片厚度为3 mm,通流导体从中心穿过,3者相互绝缘。对比测试表明该屏蔽装置具有较理想的防护效果。

2.2 分压器

本文采用的分压器耐压能力按照满足550 kV电压等级近区试验需求而设计。在较低的电压范围内（±20 kV）,该分压器应具有较高的分辨率（分压比为1 000）。但若以此分辨率输出,则当电压较高时,输出可能超出采集仪的输入安全电压范围,从而危及设备和人员安全。为解决此问题,分压器内部集成了2级瞬态电压抑制管,以限制其输出电压。由于在熄弧尖峰附近弧压下降率较高,分压器动态响应能力将决定过零点定位的精确性,是设计要考虑的关键参数之一。本文采用的分压器精度、动态响应能力已经过西安高压电器研究所（以下称西高所）检测验证,实测数据如下所述。

根据已报道的数据^[2-4]及对零区测量系统的使用经验,SF₆电弧的熄弧尖峰峰值大多分布6 kV以下,峰值时刻在过零点前3~5 μs。基于此,同时使用西高所电阻式标准分压器和此分压器对如图4所示的电压波形进行测量,并对采集到的数据进行对比分析,结果表明2者高度重合（时延<30 μs）,验证了其动态性能。图5所示为分压器不同电压（雷电波峰值）下的实测分压比,结果表明分压器的线性度、精度达到了预期要求。

3 系统的应用

上海思源高压开关有限公司欲以已有的252 kV电压等级,额定短路电流50 kA/50 Hz的自能式断路器为基础开发频率为60 Hz的产品,开发过程中使用了零区测量系统来定量评估设计方案的优化效果。

上述断路器在大容量实验室进行50 kA/60 Hz-L90试验,试验瞬态恢复电压（TRV）上升率为11 kV/μs,无明显的时延。分压器输入端分别与断路器高压侧、接地侧相连;Rogowski线圈安装于屏蔽盒中。导电杆从屏蔽盒、Rogowski线圈中心穿过,并导通断路器接地侧和试验回路接地侧。光纤隔离数字化仪将分压器、Rogowski线圈的输出信号转化、传输至计算机。电路连接关系见图1。

按照上述方法将设备连接妥当后,在正式测量前,须进行试验确定分布电感L、断口电容C。试验过程如下：

1）将被试断路器保持在合闸状态并通以电流,测得的电压和电流即为分布电感L的电压和电流,从而可确定L的大小。

2）将被试断路器保持在分闸状态并在两侧施加电压,测得的电压和电流即为断口电容C的电压和电流,从而可确定C的大小。

确定L、C的大小后,即可进行正常的开断试验并测量其零区特性数据。由于测量数据量大、处理过程复杂,因此专门编制了计算机程序,图6展

图4 分压器输出与标准信号对比 Fig.4 Comparison between output of divider and standard signal

图5 分压器分压比标定结果 Fig.5 Calibrated results of voltage division ratio of divider

图6 数据处理流程图 Fig.6 Data processing flow chart

示了该程序的数据处理过程。图7所示为采集到的数据按照该流程进行处理后得到的电弧电压U_arc、电流I_arc。

表1中U_p为熄弧尖峰;P_r为过零前弧压下降率,将其定义为过零前电压从U_p的80%下降至10%的平均变化率;t_arc为燃弧时间。 "> 表1中U_p为熄弧尖峰;P_r为过零前弧压下降率,将其定义为过零前电压从U_p的80%下降至10%的平均变化率;t_arc为燃弧时间。 "> 表1中U_p为熄弧尖峰;P_r为过零前弧压下降率,将其定义为过零前电压从U_p的80%下降至10%的平均变化率;t_arc为燃弧时间。

图8所示为前4次零区测量得到的过零前后2 μs左右的电弧电压、电流。试验A燃弧时间为8 ms,断路器几乎没有开断的能力,这与U_p、P_r、G_-200等参数所反映的情况是一致的;试验B弧后电流较小（约170 mA）,特征参数较优,开断成功;试验C燃弧14.7 ms,弧后电流虽然较大（约300 mA）,但其特征参数表明其具有开断能力。当燃弧时间调整至19.8 ms时（试验D）,过零点之后,弧后电流持续增大,即发生了重燃,但该次试验的测量结果显示,断路器处于开断的临界点。可以预见：经过少许优化工作,断路器即可通过该燃弧时间下的L90试验。

图9为P_r、G_-200和开断能力之间的关系。根据电弧电压、电流,可以得到过零前后的电导的变化曲线如图10所示。相关研究表明^[2-6],存在临界值G_lim,当G_-200<G_lim时,断路器成功开断的可能性很大。如图9、10所示,在本文的试验条件下G_lim≈1.4 mS。类似的,P_r也存在这样一个临界值P_lim,当P_r>P_lim时,断路器成功开断概率较大。很明显,P_lim≈2.85 kV/μs。故位于区域1中的试验可开断成功,位于区域2中的试验开断失败。

图10给出了过零前后500 ns内电弧电导随时间的变化曲线。试验B（开断）和试验D（重燃）的电导曲线在零前300 ns处发生交叉,因此G_-200可能比G_-500对开断的表征更为准确。

4 结论

1）零区测量系统开发过程的关键技术包括：①传感器与信号传输过程的抗干扰设计。Rogowski线圈并联匹配电阻并安装于屏蔽盒中,采用光纤传输信号避免干扰。②高耐压能力、高分辨率、高精度的分压器设计。阻容式分压器经过高精度标定,同时使用2级瞬态电压抑制管保证高耐压与高分辨率。③测量系统参数（如L、C）的影响分析和数据

表1 零区测量测得的特征参数值 Table 1 Characteristic parameters obtained by current zero measurement system

图7 测得的电弧电压和电流 Fig.7 Arc voltage and current by current zero measurement system

图8 零区测量典型结果 Fig.8 Typical results of current zero measurement

图9 P_r、G_-200和开断能力的关系 Fig.9 Relationship between P_r, G_-200 and interruption capability

图10 过零前后的电导随时间的变化曲线 Fig.10 Variations of arc conductivity with time near the current zero

处理分析数学模型的建立。

2）被测断路器P_r、G_-200的临界值分别取为2 850 V/μs和1.4 mS;相较于G_-500,G_-200在表征开断能力方面可能更为准确;P_r也可以作为断路器近区故障开断能力的指标参数。由于P_r仅与弧压相关,因此与G_-200相比,其数据处理更为简单,不确定度更小;零区测量系统可以对开断能力进行定量测量,是指导产品开发的有力工具。

3）作为重要的测量手段,零区测量系统与开断仿真技术、电弧黑盒模型理论相互补充融合,将有助于提高断路器研发水平。

编辑 曹昭君 何秋萍

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