选相分合闸技术：降低操作过电压和涌流，提高电力系统稳定性

高压交流断路器在电力系统中开合变压器、并联电容器、并联电抗器及交流滤波器等负载，以及在关合空载长线时，由于系统参数发生突变，会产生数倍于电源电压的操作过电压或涌流等瞬态现象，这些瞬态现象发生在主电路中，可能会波及控制和辅助电路、邻近的低压电路，危及高压设备的绝缘件、过度烧蚀触头，直接或间接影响电力系统的稳定性。

断路器采用选相位分合闸技术，是使断路器在预期有利的相位分、合闸，可以大大降低系统内的操作过电压和涌流，减小由于这些瞬态现象对高压设备和控制系统，乃至通信系统的危害和干扰，提高电力系统的稳定性，改善供电质量。同时还可延长高压断路器的使用寿命，使维护周期加长，降低投资成本和维护费用。

（一）适用的断路器

断路器利用选相器进行选相分合，就是为了保证断路器的动、静触头能在有利的电压或电流相位的目标点分离或闭合，达到选相分合期望达到的目的。如果动、静触头的分离或闭合偏离目标点太多，选相分合就失去了意义。为了取得准确的合闸或分闸相位，要求断路器每次操作的分散性必须很小，即要求断路器的操作特性相对稳定。

因此，有选相分合应用的断路器，在应用之前应该对断路器的机械特性进行试验研究，目的主要是确定操作时间的偏差范围。

断路器操作时间受断路器重复操作、控制电压、操作压力、环境温度、触头烧蚀、SF₆气体密度和间歇时间等因素的变化引起分散性，要对以上因素引起的操作时间分散性通过试验进行数据补偿，保证选相分合的断路器操作时间的分散性在工况允许的范围内。

1.断路器操作时间的分散性及其影响因素

断路器操作时间的分散性与以下因素有关：

1）重复操作的机械分散性。

2）控制电压变化引起的操作时间变化。

3）操作压力变化引起的操作时间变化。

4）周围空气温度变化影响操作时间的变化。

5）断路器间歇一段时间（Idle Time）后第一次操作操作时间的变化。

6）弧触头烧蚀造成触头接触或分离时刻的偏移对操作时间的影响。

7）SF₆气体密度不同变化引起的操作时间变化。

2.对操作时间分散性的测量

测量操作时间分散性的试验主要有以下几项，其中，前四项可以结合型式试验进行。

（1）机械分散性测量 机械分散性测量应在所有影响变量（例如温度、控制电压、气体密度和储能水平）稳定的条件下，按如下要求进行：

1）在额定条件下进行100次操作。

2）在合闸线圈最低工作电压的控制电压下重复1）。

3）在最低合闸操作压力（如有）下重复1）。

（2）控制电压的影响 控制电压对操作时间影响的测量，应在温度处于稳定、操作压力（如有）为额定的条件下进行。试验中控制电压的变化见表2-4。

（3）周围空气温度的影响 周围空气温度变化对于操作时间的影响，应在额定控制电压和额定操作压力下，按以下程序进行测量：

在技术规范要求的产品运行的周围空气温度范围内，以20℃±5℃为基准，分别根据相应的最低周围空气温度和最高周围空气温度，以不大于15℃的温度间隔进行分段。

在每一温度幅度下，待处于合闸状态的断路器达到热稳定状态时，分别进行10次分、合闸操作。

为了排除间歇时间的影响，10次的操作结果不包含首次操作。

在低温试验时，如果设计有加热措施，应起动并进行加热。

表2-4 控制电压对操作的影响

（4）操动机构操作压力的影响 测量操作压力对操作时间的影响，应在周围空气温度处于稳定、控制电压为额定的条件下进行。

在技术规范要求的操动机构（液压或气动机构）操作压力范围内，从最大值至最小值之间等分为不少于5个不同的压力。

在每一压力下进行30次分、合闸操作。

（5）间歇时间的影响 测量间歇时间对操作时间的影响，应在控制电压、操作压力等为额定的条件下进行。周围空气温度应处于稳定，如果不能满足，应参考第（3）项周围空气温度的试验结果，从本试验结果中消除温度变化的影响。每个间歇时间影响的试验程序至少应进行6次测量：

试验中，断路器处于正常运行状态，附属的装置如加热器应带电。

试验开始时，以不少于5次分闸和5次合闸操作的平均值验证制造厂声明的断路器的动作时间。

断路器应分别处于分闸位置和合闸位置，间歇时间可近似为：

——1h；

——2h；

——4h；

——8h；

——16h；

——32h；

——64h；

——168h。

在每一个间歇时间周期后，断路器应进行分闸或合闸操作，应测量并记录第一次操作的动作时间。

注1：例如，8h间歇时间周期在上午7点开始试验，在下午3点进行第一次机械操作。断路器再进行16h闲置周期，至第二日上午7点进行第二次机械操作。

注2：测量动作时间时，建议附带行程记录器测量触头速度，其测量结果有利于区分行程起始时是脱扣器的影响，还是触头行程特性的影响。

为了便于试验，不强制要求间歇时间的顺序和每个间歇时间周期后要求操作的顺序（合闸或分闸）。

（6）SF₆气体密度对操作时间的影响 测量SF₆气体密度对操作时间的影响，应在周围空气温度处于稳定，控制电压、操作压力为额定的条件下进行。

在技术规范要求的气体密度最低功能值至额定值之间等分为不少于3个不同区间。

在每个密度值下进行30次分、合闸操作。

（7）测量结果 在每个试验条件下应记录测量到的动作时间的最大值、最小值，计算测量结果的平均值，以及相应的标准偏差。

3.断路器额定关合窗口的确定

断路器额定关合窗口可以通过以上的试验结果计算确定：

设对断路器操作时间的影响因素为n个独立变量，用X_i表示；其中设定X_m为操作时间重复机械操作的分散性。通过确定不同变量对操作时间影响的试验，可以得出机械操作重复性偏差的标准方差S²（X_m），以及变量变化影响操作时间偏差与机械操作重复性偏差的标准方差S²_im（X_i，X_m）。(www.xing528.com)

由于变量的独立性

S²_im（X_i，X_m）=S²（X_i）+S²（X_m） （2-8）

由公式可以看出，每个独立试验结果是由单纯变量变化的影响和机械重复性偏差两部分组成的，因此单纯变量变化的影响为

S²（X_i）=S²_im（X_i，X_m）-S²（X_m） （2-9）

定义S_t为断路器在具有补偿功能的选相器的控制下进行的、变量变化影响操作时间试验得到的总标准差。每个试验中，某个变量变化，其余变量保持恒定。S²_t为各个独立分布的二次方和，即总方差，有

S²_t=S²（X₁，…，X_n，X_m） （2-10）

由于所有的变量是相互独立的，有

S²_t=S²（X₁）+…+S²（X_n）+S²（X_m） （2-11）

即

由式（2-9）得出S_t为

因此，操作时间偏差的总方差公式为

根据总方差，就可以确定断路器选相合闸的额定关合窗口。按照概率统计，设定操作时间的机械分散性呈正态分布，在±3S_t的范围内具有99.7%的置信区间。因而，断路器额定关合窗口的时间范围值可以定义为±3S_t与断路器的绝缘强度下降率（RDDS）的偏差之和，优选值为2ms、3ms、4ms。

如果带选相器在有补偿的条件下重复“2.对操作时间分散性的测量”时，测量结果的平均值与声明的平均值有明显差异，则说明对相关变量的补偿较差。在这种情况下，定义关合窗口应考虑附加两者平均值之间的分散性，即额定关合窗口的时间范围值应该定义为±3S_t′+平均值间的平均分散性，其中的S_t′应是带选相器在有补偿的条件下重复“2.对操作时间分散性的测量”的测量结果总的标准差。

4.关合目标点的确定

断路器在合闸时，随着动、静触头之间的距离逐渐减小，触头之间的电场强度也逐渐增大，到达击穿场强时发生电击穿，也就是预击穿。所以，断路器的关合时间要比空载时的合闸时间略小。

断路器选相位关合时，如果不考虑预击穿现象，可能导致断路器不能在预先设定的相位关合。所以，断路器被应用于选相合闸时，应进行RDDS和关合目标点研究。

断路器的RDDS可以通过试验获得，具体方法可以参照相关标准进行。

在实际操作中应结合具体断路器的RDDS曲线和机械分散性确定实际的关合目标点和合闸目标点。

（1）关合目标点在（或接近）电压零点 图2-10为在电压零点关合时机械分散性以及RDDS对关合目标点的影响。根据此图可以得出

Δt_making=Δt_mech+2Δk （2-15）

式中 k₀——RDDS的平均值（此参数在式中未出现，见图2-10）；

Δk——RDDS的偏差；

Δt_making——关合窗口；

Δt_mech——机械分散性，数值上等于±3S_t。

图2-10 关合目标点在电压零点的示意图

图中的最高关合电压是指在断路器关合窗口范围内关合时预击穿电压的最大值，可由式（2-15）计算出Δt_making后，代入式（2-16）计算出。然后计算出关合目标点的相位角，以及合闸目标点。

（2）关合目标点在（或接近）电压峰值 图2-11为在电压峰值关合时机械分散性以及RDDS对关合目标点的影响。参照前文介绍的方法可以计算出在电压峰值关合时关合目标点的相位角，以及合闸目标点。

图2-11 关合目标点在电压峰值的示意图

（二）应用工况

1.选相分合电容器组

（1）选相关合电容器组 电容器在合闸时会发生放电，选相关合电容器组的目的是为了降低瞬态过电压和涌流，合闸时相位的选择应使得断路器断口的预击穿电压尽可能地小。在选相关合电容器组的应用中，应将关合目标点设置在（或接近）电压零点。

（2）选相开断电容器组 断路器选相开断电容器组是为了减小发生重击穿的可能性，也就是在电弧熄灭瞬间，动、静触头之间能有足够的间隙和绝缘恢复强度。因而要求选相器的参数设定既要使动、静触头分离时刻至在电流过零电弧熄灭的时间最短，同时动、静触头分离时刻断口又要有相对大的间隙，使得此时断路器的绝缘强度上升率（RRDS）大于恢复电压，从而实现较少重击穿或无重击穿的目的。由图2-12的示意图可以看出，触头的分离时刻应提前电流过零前几个毫秒，在电流过零后的恢复电压远小于RRDS，也就不会发生重击穿。

2.选相分合并联电抗器

理论上最佳的合闸相序和/或连接零序电流可以减小并联电抗器涌流。关合电抗器时剩磁往往可以忽略。通常，即使有可能小的非对称，也应从每相电流的零点开始处关合。要求的选相精度与关合电容器要求相同，同样，选相合闸时可以使用自适应功能。选相开断是为了在电压恢复之前触头间隙有尽可能宽的间隙，以避免重燃，使燃弧时间尽可能地长。相与相之间最佳的分闸顺序取决于其接地形式和电抗器合闸对应的方式。

图2-12 RRDS与燃弧时间关系示意图

如图2-13所示，每一相开断要求的允许偏差由无重燃触头分离窗口确定，即从电流零点到无重燃最短燃弧时间开始处。无重燃最短燃弧时间取决于断路器的特性、电力系统和负荷参数。无重燃触头分离窗口没有关合窗口要求那么严。

图2-13 选相开断示意图

3.选相分合变压器

选相分合变压器主要是为了减小励磁涌流。励磁涌流是由于变压器铁心磁通饱和引起的冲击电流，其大小与变压器等效阻抗、合闸初相角、剩磁大小和绕组接线方式等因素有关。选相关合变压器的合闸时刻与铁心中的剩磁有关，在实际应用中分为考虑剩磁和不考虑剩磁。考虑剩磁时，需要采用选相分闸以限定剩磁，使得每次选相合闸前的剩磁基本相同；不考虑剩磁时，仅采用选相合闸。

4.选相分合交流滤波器

交流滤波器主要是由电容、电感和电阻三种元件组成的。关合交流滤波器可以像并联电容器一样作为容性负载，但关合条件有如下一些不同：

1）滤波器中的电抗对于涌流和过电压有阻尼作用，选相关合交流滤波器的要求可以低于并联电容器。

2）关合引起可观察到的具有滤波器谐振频率的电流谐波会持续几个周期。在电压零点选相关合，电流的幅值通常可以减小50%，但是谐波分量不能完全被消除。

3）选相合闸可以使用自适应功能。

4）与并联电容器比较，开断交流滤波器时重燃和重击穿的概率会有些增加。可能是因为瞬态恢复电压（Transient Recovery Voltage，TRV）开始具有很高的瞬态振幅，也可能是因为TRV的峰值有点高。再者滤波器经常与晶闸管控制设备一起使用，可以使TRV瞬态换向叠加。原理上可以采用与并联电抗器同样的方式避免，即控制触头分离时刻的相位。