阅读说明：本技术 一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的方法及系统 (Method and system for evaluating capacitive closing performance of switch equipment with closing resistor ) 是由 崔博源 刘泽洪 吴昱怡 王绍武 王承玉 陈允 张进 刘焱 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的方法及系统,其中方法包括：对开关设备的考核断口按照标准C2级断路器电容器组电流关合试验进行电流关合试验；计算所述开关设备在一次标准C2级电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值M；对所述开关设备进行多次标准C2级断路器电容器组电流关合试验,记录所述开关设备通过电流关合试验的次数为A；确定所述开关设备在实际运行工况下的可靠开合次数为A*M次。(The invention discloses a method and a system for evaluating the capacitive closing performance of a switching device with a closing resistor, wherein the method comprises the following steps: carrying out a current closing test on the examination fracture of the switch equipment according to a standard C2-level circuit breaker capacitor bank current closing test; calculating the ratio M of the arc energy of the switching equipment in the pre-breakdown process of the primary standard C2-grade capacitor bank current closing test to the average arc energy of single closing in the actual operation working condition; carrying out multiple standard C2-level breaker capacitor bank current closing tests on the switch equipment, and recording the times of the switch equipment passing the current closing tests as A; and determining the reliable opening and closing times of the switch equipment under the actual operation working condition as A x M times.)

一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的方 法及系统

技术领域

本发明涉及电气设备试验技术领域，更具体地，涉及一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价方的方法及系统。

背景技术

特高压电网功率调整幅度大，交流滤波器组或无功补偿电容器组的容量大、投切频繁，对开关设备的电气寿命要求高。注：由于交流滤波器主要由电容器构成，后续统一按电容器组考虑。

在断路器等开关设备研制过程中，容性电流开合能力是影响灭弧室结构和分/合闸速度的重要因素。开关设备关合电容器组或交流滤波器组时会产生高频涌流，背对背电容器组关合时尤为严重，因为电容器组间安装位置较近，其间电感很小，已投入的电容器组会向拟投入电容器组充电，产生幅值和频率都很高的涌流，涌流幅值比正常工作电流大几倍至几十倍，频率可达几千赫兹，容易造成触头熔焊和烧损、零件损坏及绝缘损伤等。

由于运行工况带来的以上特性，投切滤波器组或电容器组用开关设备的触头必须具有更高的电气寿命。C2级断路器电容器组电流开合试验的次数难以保证开合电容器组容性电流的开关设备的频繁开合性能，因此，要以标准C2级试验为基础，对通过标准C2级试验的开关设备开合容性电流性能进行较为精确的评价，根据运行情况的需要，适当增加试验考核次数，以验证断路器的容性电流频繁开合性能。

高电压等级断路器合闸操作时会产生过电压，这对电网系统是有害的，在某一时刻投入合闸电阻将部分电能转化为热能，可以达到削弱电磁振荡、限制过电压的目的。工程用合闸电阻投入方式主要有图1所示的两种：

合闸电阻方式1：关合时，先合主断口将合闸电阻串入回路，关合涌流很小、频率很低；后合电阻断口将合闸电阻短接旁路，承受较大涌流、频率很高。开断时，由主断口完成，电阻断口不参与开断过程。

合闸电阻方式2：关合时，先合电阻断口将合闸电阻串入回路，关合涌流很小、频率很低；后合主断口将合闸电阻短接旁路，承受较大涌流、频率很高。开断时，由主断口完成，电阻断口不参与开断过程。

加入合闸电阻后，关合过程中增加了电阻断口的参与，改变了电路结构，现有的C2级断路器电容器组电流开合试验对带合闸电阻的开关设备进行考核时，未充分考虑合闸电阻投入对开关设备容性关合能力的影响，试验时考核对象不明确，对开关设备容性关合性能评价不够精确。

因此，需要一种技术，以实现对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的技术。

发明内容

本发明技术方案提供一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的方法及系统，以解决如何对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的方法，所述方法包括：

对开关设备的考核断口按照标准C2级断路器电容器组电流关合试验进行电流关合试验；

计算所述开关设备在一次标准C2级电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值M；

对所述开关设备进行多次标准C2级断路器电容器组电流关合试验，记录所述开关设备通过电流关合试验的次数为A；

确定所述开关设备在实际运行工况下的可靠开合次数为A＊M次。

优选地，所述开关设备包括：

主断口S1，电阻断口S2，所述主断口S1与所述电阻断口S2为串联关合；

所述考核断口为所述电阻断口S2。

优选地，所述开关设备包括：

主断口S1，电阻断口S2，所述主断口S1与所述电阻断口S2为并联关合；

所述考核断口为所述主断口S1。

优选地，包括：

在标准C2级断路器电容器组电流关合试验中，所述开关设备的所述考核断口为电压峰值处集中相位关合，所述考核断口的关合涌流值为I_CMt，最大预击穿时间为T_max，每次标准C2级断路器电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量Qs为：

α为常数，取1.8，I^α _CMt为关合涌流的α次方值。

优选地，包括：

所述考核断口关合之前，支路上的电阻、电感、电容串联分压，由于

可简化为电阻与电容串联分压，电阻上分压为：

其中，ωL为等值电路的感抗；ωC为等值电路的容抗；Um为电源电压峰值；U_R电阻上分压；R为电阻；

所述开关设备在实际运行工况下关合涌流最大值为I_CMy，运行时随机相位关合，关合涌流值1/4周期内与关合相角的关系表示为：

i_c＝I_CMy×sinθ

其中，i_C为在电源电压相角为θ时关合的关合涌流；

不带合闸电阻时的开关设备最大预击穿时间为T_max，带合闸电阻时，考虑到电阻分压的影响，开关设备最大预击穿时间为：

燃弧时间在1/4周期内与关合相角的关系可表示为：

其中t_a为在电源电压相角为θ时关合的燃弧时间；

所述开关设备运行中随机相位关合，单次关合的平均电弧能量Qa为：

开关设备在一次标准C2级断路器电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值：

M＝Qs/Qa。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的系统，所述系统包括：

执行单元，用于对开关设备的考核断口按照标准C2级断路器电容器组电流关合试验进行电流关合试验；

计算单元，用于计算所述开关设备在一次标准C2级电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值M；

记录单元，用于对所述开关设备进行多次标准C2级断路器电容器组电流关合试验，记录所述开关设备通过电流关合试验的次数为A；

确定单元，用于确定所述开关设备在实际运行工况下的可靠开合次数为A＊M次。

优选地，所述开关设备包括：

主断口S1，电阻断口S2，所述主断口S1与所述电阻断口S2为串联关合；

所述考核断口为所述电阻断口S2。

优选地，所述开关设备包括：

主断口S1，电阻断口S2，所述主断口S1与所述电阻断口S2为并联关合；

所述考核断口为所述主断口S1。

优选地，用于：

在标准C2级断路器电容器组电流关合试验中，所述开关设备的所述考核断口为电压峰值处集中相位关合，所述考核断口的关合涌流值为I_CMt，最大预击穿时间为T_max，每次标准C2级断路器电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量Qs为：

α为常数，取1.8，I^α _CMt为关合涌流的α次方值。

优选地，用于：

所述考核断口关合之前，支路上的电阻、电感、电容串联分压，由于

可简化为电阻与电容串联分压，电阻上分压为：

其中，ωL为等值电路的感抗；ωC为等值电路的容抗；Um为电源电压峰值；U_R电阻上分压；R为电阻；

所述开关设备在实际运行工况下关合涌流最大值为I_CMy，运行时随机相位关合，关合涌流值1/4周期内与关合相角的关系可表示为：

i_c＝I_CMy×sinθ；

其中，i_C为在电源电压相角为θ时关合的关合涌流；

不带合闸电阻时的开关设备最大预击穿时间为T_max，带合闸电阻时，考虑到电阻分压的影响，开关设备最大预击穿时间为：

燃弧时间在1/4周期内与关合相角的关系可表示为：

其中t_a为在电源电压相角为θ时关合的燃弧时间；

所述开关设备运行中随机相位关合，单次关合的平均电弧能量Qa为：

开关设备在一次标准C2级断路器电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值：

M＝Qs/Qa。

本发明技术方案提供一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的方法及系统，其中方法包括：对开关设备的考核断口按照标准C2级断路器电容器组电流关合试验进行电流关合试验；计算开关设备在一次标准C2级电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值M；对开关设备进行多次标准C2级断路器电容器组电流关合试验，记录开关设备通过电流关合试验的次数为A；确定开关设备在实际运行工况下的可靠开合次数为A＊M次。本发明技术方案提供一种带合闸电阻的开关设备的容性关合性能评价方法，包括提出两种不同合闸电阻方案的试验考核对象，并从能量等效的角度提出实验室集中相位关合容性电流试验与现场运行随机相位关合容性电流工况的等效计算方法。本发明技术方案解决了现有的C2级断路器电容器组电流开合试验不能对带合闸电阻的开关设备的容性电流关合性能进行精确评价的问题。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据现有实施方式的合闸电阻方案主断口与电阻断口串联示意图；

图2为根据现有实施方式的合闸电阻方案主断口与电阻断口并联示意图；

图3为根据本发明优选实施方式的一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的方法流程图；

图4为根据本发明优选实施方式的工程中合闸电阻投入方式1的回路示意图；

图5为根据本发明优选实施方式的工程中合闸电阻投入方式2的回路示意图；

图6为根据本发明优选实施方式的断口关合前等值电路图；以及

图7为根据本发明优选实施方式的一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图3为根据本发明优选实施方式的一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的方法流程图。本发明实施方式的工程中合闸电阻投入方式1的回路示意图如图4，C1、C2、……Cn为并联电容器组，经开关设备连到母线上，S1和S2为最后一组电容器开关设备的断口，该开关设备带有合闸电阻，其合闸电阻为投入方式1，S1为主断口，S2为电阻断口，主断口与电阻断口串联关合。在这种连接方式下，应考核电阻断口的关合容性电流性能，开关设备容性电流关合试验的考核对象为S2断口。

工程中合闸电阻投入方式2的回路示意图如图5，C1、C2、……Cn为并联电容器组，经开关设备连到母线上，S1和S2为最后一组电容器开关设备的断口。该开关设备带有合闸电阻，其合闸电阻为投入方式2，S1为主断口，S2为电阻断口，主断口与电阻断口并联关合。在这种连接方式下，应考核主断口的关合容性电流性能，开关设备容性电流关合试验的考核对象为S1断口。

如图3所示，本发明提供一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的方法，方法包括：

优选地，在步骤101：对开关设备的考核断口按照标准C2级断路器电容器组电流关合试验进行电流关合试验。本发明对开关设备的考核断口按照标准C2级断路器电容器组电流关合试验进行电流关合试验。

优选地，在步骤102：计算开关设备在一次标准C2级电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值M。本发明计算开关设备在一次标准C2级电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值M。

优选地，在步骤103：对开关设备进行多次标准C2级断路器电容器组电流关合试验，记录开关设备通过电流关合试验的次数为A。

优选地，在步骤104：确定开关设备在实际运行工况下的可靠开合次数为A＊M次。本发明中，如开关设备通过A(A为正整数)次标准C2级关合试验，则判断该开关设备实际运行工况下的可靠开合次数为A＊M次。

如图4所示，开关设备包括：主断口S1，电阻断口S2，主断口S1与电阻断口S2为串联关合；考核断口为电阻断口S2。

如图5所示，开关设备包括：主断口S1，电阻断口S2，主断口S1与电阻断口S2为并联关合；考核断口为主断口S1。

优选地，方法还包括：

在标准C2级断路器电容器组电流关合试验中，开关设备的考核断口为电压峰值处集中相位关合，考核断口的关合涌流值为I_CMt，最大预击穿时间为T_max，每次标准C2级断路器电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量Qs为：

α为常数，取1.8，I^α _CMt为关合涌流的α次方值。

优选地，方法包括：

考核断口关合之前，支路上的电阻、电感、电容串联分压，由于

可简化为电阻与电容串联分压，电阻上分压为：

其中，ωL为等值电路的感抗；ωC为等值电路的容抗；Um为电源电压峰值；U_R电阻上分压；R为电阻；

开关设备在实际运行工况下关合涌流最大值为I_CMy，运行时随机相位关合，关合涌流值1/4周期内与关合相角的关系可表示为：

i_c＝I_CMy×sinθ；

其中，i_C为在电源电压相角为θ时关合的关合涌流；

不带合闸电阻时的开关设备最大预击穿时间为T_max，带合闸电阻时，考虑到电阻分压的影响，开关设备最大预击穿时间为：

燃弧时间在1/4周期内与关合相角的关系可表示为：

其中t_a为在电源电压相角为θ时关合的燃弧时间；

开关设备运行中随机相位关合，单次关合的平均电弧能量Qa为：

开关设备在一次标准C2级断路器电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值：

M＝Qs/Qa。

电弧能量造成的触头烧蚀是引发开关设备开合性能劣化的最主要因素，本发明从电弧能量的角度入手，计算带合闸电阻开关设备标准C2级试验与现场运行工况在预击穿燃弧过程中的电弧能量，以此来分析带合闸电阻开关设备C2级试验容性电流关合能力的等效情况。

预击穿过程中，主要是高频涌流作用，简化分析时，可忽略工频电源提供的涌流。通常电弧能量可用∑I^α·t_a(1<α<2)表征，其中I为关合电流值，t_a为预击穿时间。

在标准C2级试验中，开关设备的考核断口为电压峰值处集中相位关合，关合涌流值为I_CMt，最大预击穿时间为T_max，每次标准C2级电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量Qs为：

其中α可取1.8。

在实际运行工况中，关合相位是随机的。因为电阻分压，被考核断口的断口电压低于母线电压，关合过程中的预击穿时间相应减小。合闸电阻串入支路后，被考核断口关合前，其等值电路图如图6，其中S为被考核断口。

被考核断口关合之前，支路上的电阻、电感、电容串联分压，由于可简化为电阻与电容串联分压，电阻上分压为：

开关设备运行工况下关合涌流最大值为I_CMy，运行时随机相位关合，电流在1/4工频周期内与关合相角θ的正弦值成正比，即i_c＝I_CMy×sinθ。

不带合闸电阻时开关设备最大预击穿时间为T_max。带合闸电阻时，应考虑到电阻分压的影响，开关设备最大预击穿时间为

燃弧时间在1/4工频周期内与关合相角θ的正弦值成正比，即开关设备运行中随机相位关合，单次关合的平均电弧能量Qa为：

开关设备在一次标准C2级容性电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值：

M＝Qs/Qa。

本发明提出一种带合闸电阻的开关设备的容性关合性能评价方法，明确了带合闸电阻开关设备容性电流关合试验考核对象，提出了带合闸电阻开关设备的容性电流关合试验步骤以及带合闸电阻开关设备的容性电流关合试验与运行中关合工况的等效计算方法。本发明提出的评价方法可更精确的评价带合闸电阻的开关设备的容性关合性能，现场可根据性能评价及实际使用情况，对开关设备分别制订检修计划，满足工程中开关设备精细化管理的需要。

以下对本发明实施方式进行举例说明：例如，某个换流站800kV交流滤波器配置有：BP11/13交流滤波器，SC高压并联电容器和HP24/36交流滤波器。

为抑制合闸涌流，该换流站内开合容性电流的开关设备配用了合闸电阻，BP11/13滤波器组断路器配用的合闸电阻为1500Ω，SC和HP24/36的滤波器组断路器配用的合闸电阻为600Ω，现场运行工况下关合涌流最大值I_CMy为9.5kA。

该站内使用的电容器组断路器合闸电阻投入方式为主断口与电阻断口串联。因此，开关设备容性电流关合试验考核对象为电阻断口。其中，开关设备标准C2级试验中关合涌流值I_CMt＝10kA。该开关设备型式试验中通过了300次标准C2级关合试验。

当用于关合不同型号交流滤波器和电容器，并且配用不同阻值的合闸电阻时，通过了300次标准C2级电容器组关合试验的开关设备，其运行中关合工况的等效情况如下：

用于关合BP11/13交流滤波器时，可等效运行中随机相位关合1221次；

用于关合SC交流滤波器时，可等效运行中随机相位关合1200次；

用于关合HP24/36交流滤波器时，可等效运行中随机相位关合1421次。

如果为考虑合闸电阻的影响，该型号断路器通过300次标准C2级电容器组关合试验，仅等效运行中随机相位关合800次。

按照本发明中提供的方法进行性能评价，则可以延长检修周期，并且针对不同型号滤波器使用的断路器可分别制定不同检修计划，采用不同的检修的周期。

本发明结合带合闸电阻开关设备的容性电流关合试验与运行中关合工况的等效计算方法，可精确评价带合闸电阻的开合容性电流的开关设备的关合容性电流的性能水平。

图7为根据本发明优选实施方式的一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的系统结构图。本发明实施方式的工程中合闸电阻投入方式1的回路示意图如图4，C1、C2、……Cn为并联电容器组，经开关设备连到母线上，S1和S2为最后一组电容器开关设备的断口，该开关设备带有合闸电阻，其合闸电阻为投入方式1，S1为主断口，S2为电阻断口，主断口与电阻断口串联关合。在这种连接方式下，应考核电阻断口的关合容性电流性能，开关设备容性电流关合试验的考核对象为S2断口。

工程中合闸电阻投入方式2的回路示意图如图5，C1、C2、……Cn为并联电容器组，经开关设备连到母线上，S1和S2为最后一组电容器开关设备的断口。该开关设备带有合闸电阻，其合闸电阻为投入方式2，S1为主断口，S2为电阻断口，主断口与电阻断口并联关合。在这种连接方式下，应考核主断口的关合容性电流性能，开关设备容性电流关合试验的考核对象为S1断口。

如图7所示，本发明提供一种对带合闸电阻的开关设备的容性关合性能进行评价的系统，系统包括：

执行单元701，用于对开关设备的考核断口按照标准C2级断路器电容器组电流关合试验进行电流关合试验。本发明对开关设备的考核断口按照标准C2级断路器电容器组电流关合试验进行电流关合试验。

计算单元702，用于计算开关设备在一次标准C2级电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值M。本发明计算开关设备在一次标准C2级电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值M。

记录单元703，用于对开关设备进行多次标准C2级断路器电容器组电流关合试验，记录开关设备通过电流关合试验的次数为A。

确定单元704，用于确定开关设备在实际运行工况下的可靠开合次数为A＊M次。本发明中，如开关设备通过A(A为正整数)次标准C2级关合试验，则判断该开关设备实际运行工况下的可靠开合次数为A＊M次。

如图4所示，开关设备包括：主断口S1，电阻断口S2，主断口S1与电阻断口S2为串联关合；考核断口为电阻断口S2。

如图5所示，开关设备包括：主断口S1，电阻断口S2，主断口S1与电阻断口S2为并联关合；考核断口为主断口S1。

优选地，系统用于：

在标准C2级断路器电容器组电流关合试验中，开关设备的考核断口为电压峰值处集中相位关合，考核断口的关合涌流值为I_CMt，最大预击穿时间为T_max，每次标准C2级断路器电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量Qs为：

α为常数，取1.8，I^α _CMt为关合涌流的α次方值。

优选地，系统用于：

考核断口关合之前，支路上的电阻、电感、电容串联分压，由于可简化为电阻与电容串联分压，电阻上分压为：

其中，ωL为等值电路的感抗；ωC为等值电路的容抗；Um为电源电压峰值；U_R电阻上分压；R为电阻；

开关设备在实际运行工况下关合涌流最大值为I_CMy，运行时随机相位关合，关合涌流值1/4周期内与关合相角的关系可表示为：

i_c＝I_CMy×sinθ；

其中，i_C为在电源电压相角为θ时关合的关合涌流；不带合闸电阻时的开关设备最大预击穿时间为T_max，带合闸电阻时，考虑到电阻分压的影响，开关设备最大预击穿时间为：

燃弧时间在1/4周期内与关合相角的关系可表示为：

其中t_a为在电源电压相角为θ时关合的燃弧时间；

开关设备运行中随机相位关合，单次关合的平均电弧能量Qa为：

开关设备在一次标准C2级断路器电容器组电流关合试验预击穿过程中的电弧能量与实际运行工况中单次关合的平均电弧能量的比值：

M＝Qs/Qa。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。