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开关电器合成试验介绍
发布日期：2019-12-02 14:34 浏览量： 1.什么是合成试验？
高压电器种类繁多，其中，高压断路器是所有高压电器中最重要的一类电器，它们的功能是在电力系统正常运行和故障情况下关断、闭合各种电流，而最主要的功用则是自动切除电力系统中的短路故障。因此，检验高压断路器的开断与闭合能力就成了最重要的试验。
校验高压断路器开断能力的方法很多，在保证试验条件与被试断路器在实际系统中应用的等价性前提下，所有试验方法可以分为直接试验和间接试验。
直接试验方一是方法之一是网路试验法。该方法虽然有着投资费用较低，等价性好，可以进行三相试验的优点；但是缺点很多，例如试验容量受电网短路容量的限制，瞬态恢复电压不易改变和调整，大功率的短路冲击会影响电网的稳定运行，短路开断试验的次数和试验时间及地点受限制等等。直接试验方法之二是短路发电机试验法。同样，利用该方法有着可以进行三相试验，等价性好，运行方式灵活，参数易于调节，试验次数与时间不受限制，可以进行自动重合闸试验，动、热稳定试验，近区故障试验以及其它开断试验等优点；但是建立一个装备有短路发电机的试验室，不但投资是巨大的，而且运行维护的工作量也很大，操作也很复杂，用作直接试验时，容量仍然受到一定的限制。直接试验方法之三是采用单频振荡回路试验法。振荡回路法的运行方式比较灵活，适合燃弧时间短的断路器进行研究性试验，即使断路器开断失败也不会造成断路器的严重损坏，而且相对短路发电机试验法而言，振荡回路试验装置设备简单，投资少，使用和维护相对简单，缺点是只能对被试断路器进行单相、单分试验，对于电弧电压高燃弧时间长的断路器还存在等价性差的缺点，作为鉴定断路器开端能力的方法，尚没有得到国际上的承认。此外，随着电器技术的发展，尤其随着SF6 断路器的兴起，单个端口的电压迅速提高到245~363kV 及更高的水平，使得单元直接试验法再也无法满足要求。因此，作为间接试验之一的合成试验便得到了迅速发展。合成试验虽然需要两套电源，但每套电源的容量都较小，总的设备投资比直接试验小得多，而且只要电流源与电压源的参数与动作时间配合得当，等价性可以保证，很适合于型式试验和验收试验。同时，合成试验法经济、灵活，对试品无破坏性以及能按需要广泛调节TRV. 因此，虽然目前合成试验还还存在着只能进行单相试验以及对动作次序及准确性要求很高等缺点，但是现在国内外毫无例外都采用合成试验方法作为特大容量断路器试验的唯一可行方法。
2.合成试验的发展与现状
合成回路试验方法的基本原理是：根据断路器在开断过程中具有大电流和高电压不同时出现在弧隙的特点，由低压大电流源构成短路电流回路，用小电流高电压电源构成电压回路。试验时，用低压大电流使电弧燃烧，在电弧电流过零之前或之后的适当时间，加上高电压电源，使电流源与电压源联接起来，作为产生暂态恢复电压的电源。
从上世纪30年代开始，各国相继提出了多种合成回路方案，其中很多方案还申请了专利，一些国家还建立了工业性或半工业性的合成回路试验室。合成回路试验装置大体可以分为两大类：
（1）电压引入回路。电压源在电弧电流过零后才加到弧隙上，因此电流源供给过流前的大电流和刚过零后很短时间内的恢复电压，然后由电压源提供高的恢复供给恢复电压。典型的电压引入回路有两种，即电压回路和被试断路器并联，以及电压回路和辅助断路器并联。这两种典型的电压引入回路均由联邦德国Slamecka 等于上世纪60 年代提出并为西门子公司采用，总称西门子回路。
（2）电流引入回路。电压源在电弧电流过零前一段时间就加到弧隙上，因此电压源也要提供一定数量的电流，与电流源的大电流叠加，而过零后，完全由电压源提供恢复电压，典型的电流引入回路页有两种，分别是1942 年首先由德国weil提出的威尔回路以及50 年代初由前苏联卡普兰等提出的双频回路。
除了上述两大类四种典型的合成回路之外，其他的回路多数是电流过零之后接入电压回路，瞬态恢复电压不是两回路产生后的叠加，而是全部由电压回路提供，并且使电压回路接入时刻尽量靠近电流零点，例如美国的Skeats 回路和前苏联全苏电工研究院的回路。
与此同时，随着现代断路器额定电压和开断电流的提高，由电流回路和电压回路组成的所谓双回路有时也满足不了工业发展的需要。一些国家曾提出了三回路的设想，以期解决获得四参数电压波形的困难和节省电压回路的设备投资。所谓三回路即电流回路和两个电压回路，第一个电压回路模拟零区条件，仅满足瞬态恢复电压的开始部分，第二个电压回路向试品施加介电负荷，不考虑和试品相互作用的要求。
从上世纪60年代初开始，为了产品发展的需要，各国从理论和试验两方面对合成试验和做功所直接试验的等价性进行了广泛的研究。理论研究是应用电弧理论，主要是电弧数学模型，研究直接试验回路和合成试验回路对试品动态电弧电压的响应，研究试品和试验回路之间的相互作用，研究从试品端子看去的回路传递阻抗，分析研究各种回路施加在试品上的负荷是否有显著的诧异。比较试验是经验性的直观的研究方法，检验直接试验回路和合成试验回路对试品产生的试验结果，在统计意义上是否有显著差异。上世纪60 年代中期以后，一些国家的制造、使用以及科研单位联合起来进行了较大规模的研究，比较试验的次数累计超过万次，研究内容不仅是检验合成试验方法的有效性，而重点是研究回路参数的选择范围及允许偏差。对多油、少油、空气和SF6断路器都进行了对比试验。经过大量的理论研究和对比试验，合成试验方法终于逐步得到公认，最后形成了国际标准。1968 年IEC-17A “高压开关设备和控制设备”分委会决议以IEC 标准的形式推荐给各国使用。1973 年作为IEC 的标准，在IEC-427 出版物上正式提出《关于高压交流断路器的合成试验报告》。与此同时，各国相继新建或扩建了合成回路试验室，合成回路成为大容量试验室必备的重要组成部分。
目前，合成试验中电流源和电压源的提供方式主要有三种：第一种，由发电机提供短路电流，由电容放电的振荡回路作为电压源，西安高压电器研究所的合成试验回路即属于这一种情况；第二种，由电网提供短路电流，由电容放电的振荡回路作为电压源，沈阳虎石台试验站的合成试验回路属于这种情况；第三种，电压源和电流源均由振荡回路提供，西安交通大学、清华大学和沈阳工业大学的合成试验回路均采用这种方式。
在众多的回路方案中，一般认为电流过零时几百微秒时，电弧电阻增大。由干电流源的电压较低，电流难以保持正弦波形，会出现一定的畸变，因此，在电流过零前几百微秒时让电压源投入工作，这样来保证试验断路器的电弧过程与实际电网中的开断情况相一致。目前，并联电流引入回路为各国广泛采用，在我国亦有将近40 年的运行历史，对大容量断路器的发展起了重要的作用。
3.合成试验的关键技术
合成试验的缺点之一是操作时对各断路器之间的动作次序及准确性要求很高，稍有配合不好，即告失败。传统的合成试验控制回路多采用继电器与接触器，而这些电器本身响应速度比较慢，因此，各断路器之间的动作次序及准确性得不到保证。同时，由于尚未成功解决短路电流的零点预测问题. 需要依靠有经验的技术人员来确定延弧电路的投入时间。此外，电压源及延弧回路的投入需要试验操作员进行手工切换，极大地影响了试验地准确性和成功率。另外，由于合成试验是在高压试验室中使用，在周围电机启动、进行断路器分合闸以及进行其它高压试验时会存在很强的电磁干扰和的电位浮动。这些将对工控机及控制系统的正常工作形成极大的干扰，影响试验的准确性和成功率，甚至将损坏控制系统的相关设备。
合成回路中两个关键问题如下：
（1）电压源投入时间及各操动断路器之间的时序配合问题。这就要求试验控制回路能及时地在电弧电流熄灭的零点发出切换信号，投入电压源，以保证断路器能得到与直接实验时相一致的恢复电压条件。要解决该问题，必须保证控制回路能精确可靠地发出时序触发脉冲，使得各操动断路器按照预定的时序进行动作。由于时序触发脉冲的误差必须限制在100μS 之内，使得依靠纯软件进行延时是不可取的因为软件延时的误差通常在几个毫秒以上，而且及其不稳定，因此，时序触发脉冲的延时只能采用硬件来实现。
（2）抗干扰问题。合成试验控制系统是在高压试验室中使用，由于周围高电压强电流的存在、试验前后电机等设备的启动和试验过程中断路器的分合闸以及其它高压试验的进行，使得控制系统的周围存在着很强的电磁干扰以及电位浮动，试验环境恶劣。因此。必须硬件和软件两方面来解决系统的抗干扰问题。硬件的抗干扰措施主要有有以下五项：①保证没有接地回路（特别是在大电流电路中），也没有大的试验电流和小的测量电流的共用路径，把接地系统划分为实验室地线（把大电流电路和地面连接）和参考地线（测量所需要的）；②所有用到的硬件（包括测量仪器）具有很好的抗干扰能力，同时，不会对控制回路产生其它的影响。采用工控机；③为了避免试验电路和测量电路之间的电气连接，所有的测量信号都采用光导纤维进行传输；④试验电路中所有产生强电磁干扰的元件（线圈、球隙放电器）都应当被安置在距测控系统尽可能远的地方；⑤采用UPS 电源单独对工控机进行供电，保证工控机的运行不受外界电网电压波动的影响。软件的抗干扰措施主要是采取合理的算法以消除外界干扰脉冲的影响，保证所有时序触发脉冲的起始时间都以电流的零点作为参照依据。
4.我公司合成试验研究的方向与进展
维思自动化针对合成试验开展的主要工作包括：①对合成试验中的短路电流、并联电流引入法以及常用的威尔回路进行理论分析，给出了试验流程，为合成试验控制系统软件的编写提供理论指导；②设计合成试验测控回路时序触发脉冲的延时和输出放大电路以及短路电流信号的A/D转换电路；③合成试验控制系统软件的编写；④合成试验主回路参数计算设计及制造；⑤合成回路试验系统。
高压电器种类繁多，其中，高压断路器是所有高压电器中最重要的一类电器，它们的功能是在电力系统正常运行和故障情况下关断、闭合各种电流，而最主要的功用则是自动切除电力系统中的短路故障。因此，检验高压断路器的开断与闭合能力就成了最重要的试验。
校验高压断路器开断能力的方法很多，在保证试验条件与被试断路器在实际系统中应用的等价性前提下，所有试验方法可以分为直接试验和间接试验。
直接试验方一是方法之一是网路试验法。该方法虽然有着投资费用较低，等价性好，可以进行三相试验的优点；但是缺点很多，例如试验容量受电网短路容量的限制，瞬态恢复电压不易改变和调整，大功率的短路冲击会影响电网的稳定运行，短路开断试验的次数和试验时间及地点受限制等等。直接试验方法之二是短路发电机试验法。同样，利用该方法有着可以进行三相试验，等价性好，运行方式灵活，参数易于调节，试验次数与时间不受限制，可以进行自动重合闸试验，动、热稳定试验，近区故障试验以及其它开断试验等优点；但是建立一个装备有短路发电机的试验室，不但投资是巨大的，而且运行维护的工作量也很大，操作也很复杂，用作直接试验时，容量仍然受到一定的限制。直接试验方法之三是采用单频振荡回路试验法。振荡回路法的运行方式比较灵活，适合燃弧时间短的断路器进行研究性试验，即使断路器开断失败也不会造成断路器的严重损坏，而且相对短路发电机试验法而言，振荡回路试验装置设备简单，投资少，使用和维护相对简单，缺点是只能对被试断路器进行单相、单分试验，对于电弧电压高燃弧时间长的断路器还存在等价性差的缺点，作为鉴定断路器开端能力的方法，尚没有得到国际上的承认。此外，随着电器技术的发展，尤其随着SF6 断路器的兴起，单个端口的电压迅速提高到245~363kV 及更高的水平，使得单元直接试验法再也无法满足要求。因此，作为间接试验之一的合成试验便得到了迅速发展。合成试验虽然需要两套电源，但每套电源的容量都较小，总的设备投资比直接试验小得多，而且只要电流源与电压源的参数与动作时间配合得当，等价性可以保证，很适合于型式试验和验收试验。同时，合成试验法经济、灵活，对试品无破坏性以及能按需要广泛调节TRV. 因此，虽然目前合成试验还还存在着只能进行单相试验以及对动作次序及准确性要求很高等缺点，但是现在国内外毫无例外都采用合成试验方法作为特大容量断路器试验的唯一可行方法。
2.合成试验的发展与现状
合成回路试验方法的基本原理是：根据断路器在开断过程中具有大电流和高电压不同时出现在弧隙的特点，由低压大电流源构成短路电流回路，用小电流高电压电源构成电压回路。试验时，用低压大电流使电弧燃烧，在电弧电流过零之前或之后的适当时间，加上高电压电源，使电流源与电压源联接起来，作为产生暂态恢复电压的电源。
从上世纪30年代开始，各国相继提出了多种合成回路方案，其中很多方案还申请了专利，一些国家还建立了工业性或半工业性的合成回路试验室。合成回路试验装置大体可以分为两大类：
（1）电压引入回路。电压源在电弧电流过零后才加到弧隙上，因此电流源供给过流前的大电流和刚过零后很短时间内的恢复电压，然后由电压源提供高的恢复供给恢复电压。典型的电压引入回路有两种，即电压回路和被试断路器并联，以及电压回路和辅助断路器并联。这两种典型的电压引入回路均由联邦德国Slamecka 等于上世纪60 年代提出并为西门子公司采用，总称西门子回路。
（2）电流引入回路。电压源在电弧电流过零前一段时间就加到弧隙上，因此电压源也要提供一定数量的电流，与电流源的大电流叠加，而过零后，完全由电压源提供恢复电压，典型的电流引入回路页有两种，分别是1942 年首先由德国weil提出的威尔回路以及50 年代初由前苏联卡普兰等提出的双频回路。
除了上述两大类四种典型的合成回路之外，其他的回路多数是电流过零之后接入电压回路，瞬态恢复电压不是两回路产生后的叠加，而是全部由电压回路提供，并且使电压回路接入时刻尽量靠近电流零点，例如美国的Skeats 回路和前苏联全苏电工研究院的回路。
与此同时，随着现代断路器额定电压和开断电流的提高，由电流回路和电压回路组成的所谓双回路有时也满足不了工业发展的需要。一些国家曾提出了三回路的设想，以期解决获得四参数电压波形的困难和节省电压回路的设备投资。所谓三回路即电流回路和两个电压回路，第一个电压回路模拟零区条件，仅满足瞬态恢复电压的开始部分，第二个电压回路向试品施加介电负荷，不考虑和试品相互作用的要求。
从上世纪60年代初开始，为了产品发展的需要，各国从理论和试验两方面对合成试验和做功所直接试验的等价性进行了广泛的研究。理论研究是应用电弧理论，主要是电弧数学模型，研究直接试验回路和合成试验回路对试品动态电弧电压的响应，研究试品和试验回路之间的相互作用，研究从试品端子看去的回路传递阻抗，分析研究各种回路施加在试品上的负荷是否有显著的诧异。比较试验是经验性的直观的研究方法，检验直接试验回路和合成试验回路对试品产生的试验结果，在统计意义上是否有显著差异。上世纪60 年代中期以后，一些国家的制造、使用以及科研单位联合起来进行了较大规模的研究，比较试验的次数累计超过万次，研究内容不仅是检验合成试验方法的有效性，而重点是研究回路参数的选择范围及允许偏差。对多油、少油、空气和SF6断路器都进行了对比试验。经过大量的理论研究和对比试验，合成试验方法终于逐步得到公认，最后形成了国际标准。1968 年IEC-17A “高压开关设备和控制设备”分委会决议以IEC 标准的形式推荐给各国使用。1973 年作为IEC 的标准，在IEC-427 出版物上正式提出《关于高压交流断路器的合成试验报告》。与此同时，各国相继新建或扩建了合成回路试验室，合成回路成为大容量试验室必备的重要组成部分。
目前，合成试验中电流源和电压源的提供方式主要有三种：第一种，由发电机提供短路电流，由电容放电的振荡回路作为电压源，西安高压电器研究所的合成试验回路即属于这一种情况；第二种，由电网提供短路电流，由电容放电的振荡回路作为电压源，沈阳虎石台试验站的合成试验回路属于这种情况；第三种，电压源和电流源均由振荡回路提供，西安交通大学、清华大学和沈阳工业大学的合成试验回路均采用这种方式。
在众多的回路方案中，一般认为电流过零时几百微秒时，电弧电阻增大。由干电流源的电压较低，电流难以保持正弦波形，会出现一定的畸变，因此，在电流过零前几百微秒时让电压源投入工作，这样来保证试验断路器的电弧过程与实际电网中的开断情况相一致。目前，并联电流引入回路为各国广泛采用，在我国亦有将近40 年的运行历史，对大容量断路器的发展起了重要的作用。
3.合成试验的关键技术
合成试验的缺点之一是操作时对各断路器之间的动作次序及准确性要求很高，稍有配合不好，即告失败。传统的合成试验控制回路多采用继电器与接触器，而这些电器本身响应速度比较慢，因此，各断路器之间的动作次序及准确性得不到保证。同时，由于尚未成功解决短路电流的零点预测问题. 需要依靠有经验的技术人员来确定延弧电路的投入时间。此外，电压源及延弧回路的投入需要试验操作员进行手工切换，极大地影响了试验地准确性和成功率。另外，由于合成试验是在高压试验室中使用，在周围电机启动、进行断路器分合闸以及进行其它高压试验时会存在很强的电磁干扰和的电位浮动。这些将对工控机及控制系统的正常工作形成极大的干扰，影响试验的准确性和成功率，甚至将损坏控制系统的相关设备。
合成回路中两个关键问题如下：
（1）电压源投入时间及各操动断路器之间的时序配合问题。这就要求试验控制回路能及时地在电弧电流熄灭的零点发出切换信号，投入电压源，以保证断路器能得到与直接实验时相一致的恢复电压条件。要解决该问题，必须保证控制回路能精确可靠地发出时序触发脉冲，使得各操动断路器按照预定的时序进行动作。由于时序触发脉冲的误差必须限制在100μS 之内，使得依靠纯软件进行延时是不可取的因为软件延时的误差通常在几个毫秒以上，而且及其不稳定，因此，时序触发脉冲的延时只能采用硬件来实现。
（2）抗干扰问题。合成试验控制系统是在高压试验室中使用，由于周围高电压强电流的存在、试验前后电机等设备的启动和试验过程中断路器的分合闸以及其它高压试验的进行，使得控制系统的周围存在着很强的电磁干扰以及电位浮动，试验环境恶劣。因此。必须硬件和软件两方面来解决系统的抗干扰问题。硬件的抗干扰措施主要有有以下五项：①保证没有接地回路（特别是在大电流电路中），也没有大的试验电流和小的测量电流的共用路径，把接地系统划分为实验室地线（把大电流电路和地面连接）和参考地线（测量所需要的）；②所有用到的硬件（包括测量仪器）具有很好的抗干扰能力，同时，不会对控制回路产生其它的影响。采用工控机；③为了避免试验电路和测量电路之间的电气连接，所有的测量信号都采用光导纤维进行传输；④试验电路中所有产生强电磁干扰的元件（线圈、球隙放电器）都应当被安置在距测控系统尽可能远的地方；⑤采用UPS 电源单独对工控机进行供电，保证工控机的运行不受外界电网电压波动的影响。软件的抗干扰措施主要是采取合理的算法以消除外界干扰脉冲的影响，保证所有时序触发脉冲的起始时间都以电流的零点作为参照依据。
4.我公司合成试验研究的方向与进展
维思自动化针对合成试验开展的主要工作包括：①对合成试验中的短路电流、并联电流引入法以及常用的威尔回路进行理论分析，给出了试验流程，为合成试验控制系统软件的编写提供理论指导；②设计合成试验测控回路时序触发脉冲的延时和输出放大电路以及短路电流信号的A/D转换电路；③合成试验控制系统软件的编写；④合成试验主回路参数计算设计及制造；⑤合成回路试验系统。
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