双端接地型断路器机械特性分析装置

王淇锋林长海彭紫楠

摘要：SF6断路器（开关）是变电站中的重要设备，断路器是电网中主要的控制和保护元件，它起着接通和断开电路、切除和隔离故障部分的重要作用。断路器在系统正常运行情况下通过负荷电流，在系统发生接地或短路故障时，用来开断故障电流，从而最大限度保证站内设备不受故障电流侵害，避免事故进一步扩大，减少负荷损失。因此断路器机械特性试验对于电网安全稳定运行十分重要。

关键词：SF6断路器；特性；分析装置；试验

一、敞开式变电站双端接地的情况

1.断路器转检修，线路（或主变）不停电。

运维人员所做措施是：-1刀闸开关侧挂一组接地线，-5刀闸开关侧挂一组接地线，开关两侧均挂有接地线。此时进行机械特性试验时，需要拆除一侧接地线，挂机械特性测试线，才能工作。需要举杆15次，1人举杆，1人监护。拆除、恢复接地线的电话联系工作需要0.5小时，悬挂、拆除机械特性测试引线的工作需要0.5小时，工作效率低。原来需要人员使用绝缘杆将接地线拆除，悬挂高压测试引线挂至开关两侧，由于绝缘杆较沉、举杆时间较长，试验中易发生倒杆、掉线，从而导致人员触电、设备受损。

2.220kV断路器及线路停电现场，在电流互感器与线路侧刀闸（河北南网一般为-5刀闸）之间加挂接地线。266-1刀闸开关侧、266-5刀闸开关侧、266-5刀闸线路侧分别挂一组接地线，即266开关两侧均接地。进行开关特性试验时，必须拆除至少一端接地线后方能开始测试工作。

3．母线断路器或分段断路器停电检修现场。

母联断路器停电，在断路器两侧-1、-2刀闸处均加挂接地线。进行开关特性试验时，必须至少拆除至少一端接地线后方能开始测试工作。

（一）GIS变电站双端接地的情况

1.电缆出线时，接地刀闸接地点无法打开，室内变电站大都属于这种情况。原来需要配合主变停电，在主变套管处悬挂测试线完成机械特性试验。

2.架空出线，需要支梯子拆GIS套管引线或爬上GIS上部拆除-5KD地刀的接地部分才能才能完成机械特性试验。目前，变电站GIS出线套管距地面约6-12米，试验过程中需人员攀爬至顶部进行拆除GIS引线工作，存在较大的高摔隐患。同时，频繁移动伸缩梯，工作强度大，现场安全风险大、效率较低。

3.母联、分段断路器（201、101等开关），若地刀无法打开，则很难完成试验。

双端接地可能完成机械特性试验，如果必须试验则需要拆除、恢复接地线、悬挂测试引线，或拆除GIS出线套管引线接头，或拆除GIS地刀等工作，会出现与运维联系拆除接地线、举杆挂线、支梯子高处作业等诸多安全隐患问题。

2017年，国网石家庄供电公司智变空间创新工作室针对双端接地时断路器机械特性试验遇到的种种问题，研制出双端接地卡钳、双端接地信号处理器，配合原断路器机械特性仪，实现了不拆接地线的情况下完成断路器机械特性试验，接线方便，操作简单，工作安全，大大提高了现场测试的效率，也可以避免拆装接地线线带来的人身威胁。

二、技术内容

（一）技术路线

利用载波传输、自动控制、电力电子、绝缘结构设计、程序设计等领域的成熟技术，对原断路器机械特性测试仪、断路器测速装置进行再改造，提高现场试验操作的自动化水平，简化试验流程。最后在多个变电站试验现场对其进行操作验证，采用新旧两种方法进行多次对比试验，确认采用新系统所测试验数据准确无误。

（二）主要创新点

该成果有效解决双端接地时的断路器机械特性的问题，采用钳型电流表测试装置，是一种集成化、智能型的试验装置，其主要创新点如下：

1.开发断路器机械特性双端接地辅助装置，实现与特性分析装置的数据融合

原来测试原理为开关一端接地，一端通过电阻接测试电压+V一般为+12V。开关K断开时通过上拉电阻R与电源连接，仪器采集到VS=+V电压。当开关K接通时，通过K将电压拉到地电位，仪器采集到VS=0V电压。当开关双端都接地时，+V电压建立不起来，不论开关在分还是合状态采集到的电压都是VS=0V。因此常规开关机械特性测试仪均无法实现两端接地情况下机械特性测试工作，同时还有损坏的危险。

为解决以上问题，我们研究了电流法开关状态测试方法，能够解决以上为题。在高压断路器双端接地的条件下，在开关两端施加恒定电流。当开关在断开时，接地线上可以测量到电流I。当开关接通时，恒定电流将按照接线电阻R1，R2和开关支路电阻R3分流，地线上电流将变为Ix：

Ix=R3/（R1+R2）*I

注：R1、R2：接地线等效电阻R3：高压开关接触电阻及支路导线电阻和

由以上公式可以看到开关接通后检测到的电流将会减小，减小的幅度由R1~R3决定。

2.研发基于霍尔理论的高精度快速响应钳形电流表，判断断路器的分合位置

利用电磁感应原理，将钳形电流表卡在接地线处（地刀分叉处），通过计算电流的变化，来判定断路器的分合闸状态，并计算固有合闸时间和固有分闸时间。高压断路器的动静触头、与动静触头相连的地刀以及与两地刀相连的地网共同形成通流体，当高压断路器合闸时，上述通流体闭合，采集信号卡钳能够采集到信号，并以此判断为断路器合闸；当高压断路器分闸时，上述通流体没有闭合，采集信号卡钳采集不到信号，并以此判断为断路器分闸。

采用霍尔电流传感器，可以采集到直流电流，并转化为电压。霍尔电流传感器具有微秒级的响应速度，可以真实反映电流变化。通过R10、R11、C1将电压取样滤波，一路送到CPU进行电压值测量，另一路送入IC2运算放大器接成的比较器进行状态比较，将比较结果送入开关K1导通或断开。通过K1接入开关机械特性测试仪开关状态采集端口，模拟开关开合状态，将信号送入开关机械特性测试仪，完成高压开关的测试。

测试前在开关合闸和分闸状态，分别测量接地线上的电流转换的电压。测量完成后将两个电压取中值，通过数字电位器设置这个电压作为电压比较器的阈值，当电压越过阈值后比较器电平翻转，驱动K1改变状态，实现了开关特性的稳定测试。

3.研发三通道恒流源，实现断路器信号源的稳定输出

双接地开关动作信号采集装置左上区域为恒流试验电源输出端，三个通道电流互相隔离，互不干扰。将三组恒流输出分别接到高压开关开口两端；中间位置为三组电流采集输入端，将3个开口电流互感器分别接到三相接地线上，采集接地线测试电流；右端航空头为开关信号输出，将3相信号分别接到3个开关信号采集端口，同时将公共线接到开关机械特性测试仪开关信号采集端口的公共端上。最后将开关机械特性测试仪开关驱动信号接开关操作机构，完成接线。

（三）成果应用中采取的安全控制措施

本创新中采用了自主研发的新型钳形电流表，利用电磁原理感应电流判断断路器的分合闸状态，敞开式断路器测试工作无需拆挂接地线、无需工作人员手举测量杆；GIS组合电器设备测试工作时无需登高作业拆除套管引线或地刀接地排，在节约人力的同时提高了工作效率，保障了现场作业人员安全，排除了传统测试方法的隐患。

三、应用效果

本成果适用于变电系统中各个电压等级的组合电器及断路器的基建验收、投前检修、例行试验等各个阶段的开关特性试验工作，首先将电流测试回路夹入被试设备两端，并将测试用钳形电流表夹到被试设备已经连接好的接地线上，将本成果及原有试验台连接，在试验台上操作开关分合即可读取试验数据。该成果的应用实现了双端接地情况下的断路器机械特性试验，减少了举杆挂线的工作，提高工作效率，避免了登高作业拆除GIS套管引线接头，使得传统高处作业变为地面作业，在消除高摔风险的同时节约了时间。