CN108051736B - 一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价方法及系统；所述方法包括对待评价开关设备进行C2级标准试验；并计算试验中A次关合预击穿过程中的累计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以及试验中B次短燃弧开断而未发生重击穿所对应的实际运行工况中开关设备可靠开断次数；基于上述计算对开关设备进行连续X个循环的裕度试验；如所述开关设备可靠开断，则判断该开关设备满足实际运行工况需要的可靠开合次数；所述C2级标准试验中在断路器中加装合闸电阻以提高开关设备触头的使用寿命；所述方法及系统可验证开关设备是否满足工程中开关设备长期安全运行的需要。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备试验领域，更具体地，涉及一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价方法及系统。
背景技术
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。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。开关设备关合电容器组或交流滤波器组时的合闸涌流大，开断过程中容性电流值虽然不大，但是开断该电流恢复电压高，易发生重击穿，进而引起严重的过电压，对系统造成很大的危害。理论上，投切电容器组(由于交流滤波器主要由电容器构成，可统一按电容器组考虑)用开关设备的运行工况，具有以下特性：
(1)关合时会产生高频涌流，背对背电容器组关合时尤为严重，由于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。
(2)容性电流开断时恢复电压高、持续时间长，易发生重击穿，产生过电压，对滤波器组和无功补偿装置及系统绝缘构成严重威胁。
(3)电容器组投切频繁，对开关设备的电气寿命要求高。
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以及极低的重击穿概率。
以调研目前直流工程在运的滤波器组断路器运行情况为例，单相年均最多动作次数可接近500次。考虑到断路器的平均使用年限，工程中实际使用的断路器至少需可靠开合2500～3000次，甚至更多，如满足10年可靠开合不检修，则需达到5000次。而IEC和国家标准规定的电容器组开合试验中，即使C2级试验(表明试品具有极低重击穿概率)也仅是要求120次关合涌流试验和168次开断试验，难以验证是否可满足运行中频繁操作的要求。
发明内容
为了解决背景技术存在的目前的试验评价方法难以验证开关设备是否可满足运行中频繁操作的要求的问题，本发明提供了一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价方法及系统；所述方法及系统提出了C2级试验中的开合试验次数与运行工况下的等效理论方法，并以型式试验中的标准C2级试验为参考，结合现场运行所需的操作次数，设计C2级裕度试验来验证开关设备的安全运行性能，所述一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价方法包括：
步骤1，对开关设备进行C2级标准试验；
步骤2，计算开关设备在C2级标准试验中A次关合预击穿过程中累计电弧能量与实际运行工况中单次关合平均电弧能量的比值为M；
步骤3，计算开关设备在C2级标准试验中短燃弧B次开断而未发生重击穿所对应的实际运行工况中开关设备可靠开断下短燃弧开断的次数为N；
步骤4，对所述开关设备进行连续X个循环的裕度试验，每个所述裕度试验包括A次关合以及B次短燃弧开断；所述X为实际运行工况需要的可靠开合次数与一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数的比值的向上取整值减1；所述一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数取M与N中的较小值；
步骤5，如所述开关设备可靠开断，则判断该开关设备满足实际运行工况需要的可靠开合次数；
其中，A、B、X、M以及N均为正整数；
进一步的，所述开关设备在C2级标准试验中A次关合预击穿过程中累计电弧能量Qs为
其中ICMt为开关设备关合涌流的最大值；Tmax为最大预击穿时间；α为常数且1＜α＜2；
进一步的，所述实际运行工况中单次关合预击穿过程中平均电弧能量Qa为：
Tmax为最大预击穿时间；α为常数且1＜α＜2；ICMy为开关设备在运行工况下高频涌流的最大值；
进一步的，在工频电压下，C2级标准试验中B次短燃弧开断而开关设备未发生重击穿，则实际运行工况中开关设备可靠开断次数N＝10*B；
进一步的，所述C2级标准试验中在断路器中加装合闸电阻模块以提高开关设备触头的使用寿命；所述合闸电阻模块包括合闸电阻以及电阻断口；
进一步的，所述电阻断口与开关设备主断口串联，合闸电阻与电阻断口并联；开关设备关合时，先关合开关设备主断口再关合电阻断口；开关设备开断时，只需开断开关设备主断口；
进一步的，所述电阻断口与合闸电阻串联，共同与开关设备主断口并联；开关设备关合时，先关合电阻断口再关合开关设备主断口；开关设备开断时，只需开断开关设备主断口；
所述一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价系统包括：
C2级标准试验单元，所述C2级标准试验单元用于对待评价开关设备进行C2级标准试验，并向第一计算单元以及第二计算单元输出试验数据；
第一计算单元，所述第一计算单元用于根据从C2级标准试验单元接收的试验数据计算开关设备在C2级标准试验中A次关合预击穿过程中累计电弧能量以及实际运行工况中单次关合平均电弧能量；并输出开关设备在C2级标准试验中A次关合预击穿过程中累计电弧能量与实际运行工况中单次关合平均电弧能量的比值M至裕度试验单元；
第二计算单元，所述第二计算单元用于计算C2级标准试验单元输出的B次短燃弧开断而未发生重击穿所对应的实际运行工况中开关设备可靠开断次数N；第二计算单元用于将次数N输出至裕度试验单元；
裕度试验单元，所述裕度试验单元用于对待评价的开关设备进行连续X个循环的裕度试验，每个所述裕度试验包括A次关合以及B次短燃弧开断；所述裕度试验单元用于选取第一计算单元输出的参数M和第二计算单元输出的参数N较小值作为一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数；并根据实际运行工况需要的可靠开合次数与一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数的比值确定裕度试验循环次数X；
进一步的，所述第一计算单元从C2级标准试验单元接收的试验数据包括开关设备关合涌流的最大值以及最大预击穿时间；所述第一计算单元用于接收用户输入的开关设备在运行工况下高频涌流的最大值以及考虑电量损耗后设置的参考常数；
进一步的，所述系统在工频电压下运行，C2级标准试验单元中B次短燃弧开断而未发生重击穿，则实际运行工况中开关设备可靠开断次数N＝10*B；
进一步的，所述C2级标准试验单元包括合闸电阻模块，所述合闸电阻模块包括合闸电阻以及电阻断口，所述合闸电阻模块用于提高开关设备触头的使用寿命；
进一步的，所述电阻断口与开关设备主断口串联，合闸电阻与电阻断口并联；C2级标准试验单元关合开关设备时，先关合开关设备主断口再关合电阻断口；C2级标准试验单元开断开关设备时，只需开断开关设备主断口；
进一步的，所述电阻断口与合闸电阻串联，共同与开关设备主断口并联；C2级标准试验单元关合开关设备时，关合电阻断口再关合开关设备主断口；C2级标准试验单元开断开关设备时，只需开断开关设备主断口。
本发明的有益效果为：本发明的技术方案，给出了一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价方法及系统，所述方法及系统提出了C2级试验中的开合试验次数与运行工况下的等效理论方法，并以型式试验中的标准C2级试验为参考，结合现场运行所需的操作次数，设计C2级裕度试验来验证开关设备的安全运行性能；所述方法及系统可验证开关设备在运行中是否可满足频繁开合操作的要求，评价开关设备频繁开合电容器组的性能水平，为现场检修提供参考依据，满足工程中开关设备长期安全运行的需要。
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为本发明具体实施方式的一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式的一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价系统的结构图。
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1为本发明具体实施方式的一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价方法的流程图；所述方法提出了C2级试验中的开合试验次数与运行工况下的等效理论方法，并以型式试验中的标准C2级试验为参考，结合现场运行所需的操作次数，设计C2级裕度试验来验证开关设备的安全运行性能，所述一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价方法包括：
步骤101，对开关设备进行C2级标准试验；
步骤102，计算开关设备在C2级标准试验中A次关合预击穿过程中累计电弧能量与实际运行工况中单次关合平均电弧能量的比值为M；
进一步的，所述开关设备在C2级标准试验中A次关合累计电弧能量Qs为
其中ICMt为试验中开关设备关合涌流的最大值；Tmax为最大预击穿时间；α为常数且1＜α＜2；
进一步的，所述实际运行工况中单次关合平均电弧能量Qa为：
其中ICMy为开关设备在运行工况下高频涌流的最大值；Tmax为最大预击穿时间；α为常数且1＜α＜2；
步骤3，计算开关设备在C2级标准试验中B次短燃弧开断而开关设备未发生重击穿所对应的实际运行工况中开关设备可靠开断次数为N；
进一步的，在工频电压下，C2级标准试验中B次短燃弧开断而未发生重击穿，则实际运行工况中开关设备可靠开断次数N＝10*B；
步骤4，对所述开关设备进行连续X个循环的裕度试验，每个所述裕度试验包括A次关合以及B次短燃弧开断；所述X为实际运行工况需要的可靠开合次数与一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数的比值的向上取整值减1；所述一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数取M与N中的较小值；
步骤5，如所述开关设备可靠开断，则判断该开关设备满足实际运行工况需要的可靠开合次数；
其中，A、B、X、M以及N均为正整数；
进一步的，所述C2级标准试验中在断路器中加装合闸电阻模块以提高开关设备触头的使用寿命；所述合闸电阻模块包括合闸电阻以及电阻断口；
进一步的，所述电阻断口与开关设备主断口串联，合闸电阻与电阻断口并联；开关设备关合时，先关合开关设备主断口再关合电阻断口；开关设备开断时，只需开断开关设备主断口；
进一步的，所述电阻断口与合闸电阻串联，共同与开关设备主断口并联；开关设备关合时，先关合电阻断口再关合开关设备主断口；开关设备开断时，只需开断开关设备主断口；
在本实施例中，在工频电压下(50HZ)，对开关设备进行C2级标准试验，开关设备在C2级标准试验中120次关合，则所述开关设备在C2级标准试验中120次关合累计电弧能量
所述实际运行工况中单次关合平均电弧能量
所述α为常数，α的取值考虑电能损耗，在无电能损耗的计算中，α取值会等于2；在方法中1＜α＜2；在本实施例中α取1.8；
以目前特高压直流工程中1100kV交流滤波器小组断路器的参数为例，断路器带合闸电阻(1150Ω)情况下的涌流最大值为5.3kA；
当试验室的高频涌流，运行中断路器高频涌流按近期5.3kA考虑时，Qs/Qa≈957；因此，从触头耐烧蚀能力角度看，C2级试验中120次关合能力可以满足目前工程运行中957次(约1000次)的关合；
进一步的，试验室进行标准C2级试验时，集中进行BC1中的12次短燃弧开断和BC2中的84次短燃弧开断，共计96次短燃弧开断试验。运行中，开断相位是随机的，通常最短燃弧时间小于等于1ms，在一个半波(10ms)内发生短燃弧开断的概率约为1/10。如C2级试验集中进行96次短燃弧开断试验可靠开断，运行中960次开断发生重击穿的概率则极低，近似达到1000次。
图2为本发明具体实施方式的一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价系统的结构图。所示一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价系统包括：
C2级标准试验单元201，所述C2级标准试验单元201用于对待评价开关设备进行C2级标准试验，并向第一计算单元202以及第二计算单元203输出试验数据；
第一计算单元202，所述第一计算单元202用于根据从C2级标准试验单元201接收的试验数据计算开关设备在C2级标准试验中A次关合预击穿过程中累计电弧能量以及实际运行工况中单次关合平均电弧能量；并输出开关设备在C2级标准试验中A次关合产生的总的电弧能量与实际运行工况中单次关合产生的电弧能量的比值M至裕度试验单元204；
第二计算单元203，所述第二计算单元203用于计算C2级标准试验单元201输出的B次短燃弧开断而未发生重击穿所对应的实际运行工况中开关设备可靠开断次数N；第二计算单元203用于将次数N输出至裕度试验单元204；
裕度试验单元204，所述裕度试验单元204用于对待评价的开关设备进行连续X个循环的裕度试验，每个所述裕度试验包括A次关合以及B次短燃弧开断；所述裕度试验单元204用于选取第一计算单元202输出的参数M和第二计算单元203输出的参数N较小值作为一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数；并根据实际运行工况需要的可靠开合次数与一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数的比值确定裕度试验循环次数X；
进一步的，所述第一计算单元202从C2级标准试验单元201接收的试验数据包括开关设备关合涌流的最大值以及最大预击穿时间；所述第一计算单元202用于接收用户输入的开关设备在运行工况下高频涌流的最大值以及考虑电量损耗后设置的参考常数；
进一步的，所述系统在工频电压下运行，C2级标准试验单元201中B次短燃弧开断而未发生重击穿，则实际运行工况中开关设备可靠开断次数N＝10*B；
进一步的，所述C2级标准试验单元201包括合闸电阻模块，所述合闸电阻模块包括合闸电阻以及电阻断口，所述合闸电阻模块用于提高开关设备触头的使用寿命；
进一步的，所述电阻断口与开关设备主断口串联，合闸电阻与电阻断口并联；C2级标准试验单元201关合开关设备时，先关合开关设备主断口再关合电阻断口；C2级标准试验单元201开断开关设备时，只需开断开关设备主断口；
进一步的，所述电阻断口与合闸电阻串联，共同与开关设备主断口并联；C2级标准试验单元201关合开关设备时，关合电阻断口再关合开关设备主断口；C2级标准试验单元201开断开关设备时，只需开断开关设备主断口。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (13)
1.一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价方法，所述方法包括：
步骤1，对开关设备进行C2级标准试验；
步骤2，计算开关设备在C2级标准试验中A次关合预击穿过程中的累计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为M；
步骤3，计算开关设备在C2级标准试验中B次短燃弧开断而未发生重击穿所对应的实际运行工况中开关设备可靠开断的次数为N；
步骤4，对所述开关设备进行连续X个循环的裕度试验，每个所述裕度试验包括A次关合以及B次短燃弧开断；所述X为实际运行工况需要的可靠开合次数与一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数的比值的向上取整值减1；所述一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数取M与N中的较小值；
步骤5，如所述开关设备可靠开断，则判断该开关设备满足实际运行工况需要的可靠开合次数；
其中，A、B、X、M以及N均为正整数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述开关设备在C2级标准试验中A次关合预击穿过程中累计电弧能量Qs为
其中Icmt为开关设备关合涌流的最大值；Tmax为最大预击穿时间；α为常数且1＜α＜2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述实际运行工况中单次关合产生的平均电弧能量Qa为：
其中Tmax为最大预击穿时间；α为常数且1＜α＜2；Icmy为开关设备在运行工况下高频涌流的最大值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在工频电压下，C2级标准试验中B次短燃弧开断而未发生重击穿，则实际运行工况中开关设备可靠开断次数N=10*B。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述C2级标准试验中在断路器中加装合闸电阻模块以提高开关设备触头的使用寿命；所述合闸电阻模块包括合闸电阻以及电阻断口。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述电阻断口与开关设备主断口串联，合闸电阻与电阻断口并联；开关设备关合时，先关合开关设备主断口再关合电阻断口；开关设备开断时，只需开断开关设备主断口。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述电阻断口与合闸电阻串联，共同与开关设备主断口并联；开关设备关合时，先关合电阻断口再关合开关设备主断口；开关设备开断时，只需开断开关设备主断口。
8.一种频繁开合容性电流的开关设备的试验评价系统，所述系统包括：
C2级标准试验单元，所述C2级标准试验单元用于对待评价开关设备进行C2级标准试验，并向第一计算单元以及第二计算单元输出试验数据；
第一计算单元，所述第一计算单元用于根据从C2级标准试验单元接收的试验数据计算开关设备在C2级标准试验中A次关合预击穿过程中累计电弧能量以及实际运行工况中单次关合平均电弧能量；并输出开关设备在C2级标准试验中A次关合累计电弧能量与实际运行工况中单次关合平均电弧能量的比值M至裕度试验单元；
第二计算单元，所述第二计算单元用于计算C2级标准试验单元输出的B次短燃弧开断而未发生重击穿所对应的实际运行工况中开关设备可靠开断次数N；第二计算单元用于将次数N输出至裕度试验单元；
裕度试验单元，所述裕度试验单元用于对待评价的开关设备进行连续X个循环的裕度试验，每个所述裕度试验包括A次关合以及B次短燃弧开断；所述裕度试验单元用于选取第一计算单元输出的参数M和第二计算单元输出的参数N较小值作为一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数；并根据实际运行工况需要的可靠开合次数与一次C2级标准试验模拟满足的可靠开合次数的比值确定裕度试验循环次数X。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述第一计算单元从C2级标准试验单元接收的试验数据包括开关设备关合涌流的最大值以及最大预击穿时间；所述第一计算单元用于接收用户输入的开关设备在运行工况下高频涌流的最大值以及考虑电量损耗后设置的参考常数。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述系统在工频电压下运行，C2级标准试验单元中B次短燃弧开断而未发生重击穿，则实际运行工况中开关设备可靠开断下短燃弧开断的次数N=10*B。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述C2级标准试验单元包括合闸电阻模块，所述合闸电阻模块包括合闸电阻以及电阻断口，所述合闸电阻模块用于提高开关设备触头的使用寿命。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于：所述电阻断口与开关设备主断口串联，合闸电阻与电阻断口并联；C2级标准试验单元关合开关设备时，先关合开关设备主断口再关合电阻断口；C2级标准试验单元开断开关设备时，只需开断开关设备主断口。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于：所述电阻断口与合闸电阻串联，共同与开关设备主断口并联；C2级标准试验单元关合开关设备时，关合电阻断口再关合开关设备主断口；C2级标准试验单元开断开关设备时，只需开断开关设备主断口。
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