一种高压断路器开断试验中重燃弧故障的保护方法和装置

摘要

本发明涉及一种高压断路器开断试验中重燃弧故障的保护方法和装置，该方法包括以下步骤：步骤S1、当不小于高压断路器额定电流的第一实时电流持续时间超过抗扰时间时，执行步骤S2；步骤S2、当所述第二实时电流小于重燃弧电流检测值且持续时间超过T2时间时，执行步骤S3；步骤S3、当所述第三实时电流不小于高压断路器额定电流时且持续时间超过抗扰时间时，执行步骤S4；步骤S4、当所述第四实时电流小于重燃弧电流检测值且持续时间超过T4时间时，执行步骤S5；步骤S5、计数器清零并执行步骤S1。本发明不仅能实现普通继保的所有功能，还能完成高压断路器开断试验过程中出现的重燃弧故障的保护，从而对大容量实验站实现实时全程跟踪保护，大大延长了大容量实验站自身开关或电器设备的寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及大容量实验站保护技术领域，具体涉及大容量实验站高压断路器开断试验中重燃弧故障的保护方法。

背景技术

电力系统中，高压电器的可靠、稳定运行是整个电网系统正常、高效工作的前提条件，高压电器的型式试验是检验其性能的重要环节。随着电力系统的发展，系统的电压等级和短路容量日益提高，对于高压电器中高压断路器开断短路电流能力的要求也越来越大。高压断路器的开断过程非常复杂，无法完全依靠计算或仿真来确定产品的性能，只能通过型式试验对其开断能力进行考核。

因此，具有一定试验能力的大容量实验站，按照高压断路器规定的额定电压和开断电流进行整体试验(即直接试验)，可以最接近于实际开断情况来考核验证高压电器产品的性能。GB1984-2014《高压交流断路器》是现行的高压交流断路器主要执行标准，标准中明确规定断路器电气寿命试验需要在试验系统提供的额定电压和额定开断故障电流下进行，试验过程为循环试验。

如图1所示，按照国家标准规定，对于具有快速自动重合闸功能的高压断路器而言，“O—0.3s—CO”即“断开—0.3s—闭合断开”为一个循环，例如，对于一台35kV电压等级的高压断路器，当开断故障电流(即额定短路开断电流)为31.5kA时，进行国家标准规定的基本短路试验T100s时，其开断电流为100％额定短路开断电流，在进行该项型式试验考核时，大容量实验站需要施加额定电压35kV，短路电流31.5kA，假设正常工况下，根据高压断路器自动重合闸一个循环“O—0.3s—CO”操作程序，高压断路器首先通过短路试验电流31.5kA约100ms(图1中的T1)，高压断路器马上进入第一个开断“O”后，整个回路为断开且无电流状态持续300ms(图1中的T2)，然后高压断路器再关合“C”，通过短路试验电流31.5kA约100ms(图1中的T3)后，高压断路器进入第二个开断“O”，在高压断路器开断后，国家标准GB1984-2014中明确规定：“工频试验电压和由残余电荷产生的直流电压在开断后应保持至少300ms，且电弧最终熄灭后300ms时负载侧电压的衰减不超过10％”，所以，高压断路器在正常工作工况且试验合格条件下，大容量实验站提供能量仅在正常通流状态下即可，整个程序过程中约需能量值为“110MA²s(0.1s)—0.3s—110MA²s(0.1s)”。

但实际高压断路器在试验过程中，即断路器在第一个开断“O”或第二个开断“O”后，整个回路为断开且无电流状态持续300ms(图1中的T4)时经常发生重击穿或重燃弧状况，此种状况由于未出现比短路电流31.5kA明显大的过流，所以普通常规的继保设备或过流设备根本无法保护这种情况，此时，这种试品故障状态下整个程序过程中大容量实验站约需能量值为“110MA²s(0.1s)—330MA²s(0.3s)—110MA²s(0.1s)—330MA²s(0.3s)”，此种情况下提供的能量值为非故障下的4倍。对于此种情况对于大容量实验站自身的开关电器或电抗设备，是一种很大的冲击和破坏，本来每次高压断路器这种开断试验由于高电压大电流，对大容量实验站就是一种冲击和损坏，而当试品出现故障，不能正常开断或燃弧发生时，对大容量实验站的设备和电器更是一种致命的冲击和损坏，而且这种冲击和损坏具有累积效益，大大加速设备的老化和退役。由于大容量实验站的电器设备因为电压等级高，电流大，所以设备一般都很昂贵，更换或者维修也是非常麻烦。

目前对于做高压断路器开断试验的大容量实验站都是采用普通或常规的继保作为保护，而普通继保仅能进行简单的过流和时间设定保护，对于高压断路器开断试验过程中出现的重燃弧或重击穿现象，也是束手无策，根本无法保护。根据目前的这种状况，本发明专利解决了以上所有大容量实验站非常棘手的设备保护难题。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种高压断路器开断试验中重燃弧故障的保护方法，其可以完成高压断路器开断试验过程中出现的重燃弧保护，从而对大容量实验站实现实时全程跟踪保护，大大延长了大容量实验站自身开关或电器设备的寿命，并帮助故障试品高压断路器研发人员及时准确，快速定位故障点，否则被试品在爆炸后一片废墟，很难定位触头故障薄弱点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高压断路器开断试验中重燃弧故障的保护方法，包括以下步骤：

步骤S1、检测高压断路器实时电流，此时高压断路器的实时电流称为第一实时电流，当所述第一实时电流不小于高压断路器额定电流时，计数器开始计时，当不小于高压断路器额定电流的第一实时电流持续时间超过抗扰时间时，执行步骤S2；

步骤S2、在不小于高压断路器额定电流的第一实时电流持续时间超过T1时间时，检测高压断路器实时电流，此时高压断路器实时电流称为第二实时电流，当所述第二实时电流小于重燃弧电流检测值且小于重燃弧电流检测值的第二实时电流持续时间超过T2时间时，执行步骤S3；

步骤S3、检测高压断路器实时电流，此时高压断路器的实时电流称为第三实时电流，当所述第三实时电流不小于高压断路器额定电流时且不小于高压断路器额定电流的第三实时电流持续时间超过抗扰时间时，执行步骤S4；

步骤S4、在不小于高压断路器额定电流的第三实时电流持续时间超过T3时间时，检测高压断路器实时电流，此时高压断路器实时电流称为第四实时电流，当所述第四实时电流小于重燃弧电流检测值且小于重燃弧电流检测值的第四实时电流持续时间超过T4时间时，执行步骤S5；

步骤S5、计数器清零并执行步骤S1。

步骤S1中，当第一实时电流小于高压断路器额定电流时，或者，不小于高压断路器额定电流的第一实时电流持续时间不超过抗扰时间时，计数器清零并继续等待检测第一实时电流。

步骤S2中，如果不小于高压断路器额定电流的第一实时电流持续时间不超过T1时间时，计数器清零并继续等待检测第一实时电流；如果所述第二实时电流不小于重燃弧电流检测值且不小于重燃弧电流检测值的第二实时电流持续时间超过抗扰时间时，则保护跳闸，且计数器清零，同时执行步骤S1。

步骤S2中，如果小于重燃弧电流检测值的第二实时电流持续时间不超过T2时间时，则继续等待检测第二实时电流。

步骤S3中，如果第三实时电流小于高压断路器额定电流时，且小于高压断路器额定电流的第三实时电流持续时间超过T3时间时，则执行步骤S5；如果小于高压断路器额定电流的第三实时电流持续时间不超过T3时间时，则继续等待第三实时电流。

步骤S3中，如果不小于高压断路器额定电流的第三实时电流持续时间不超过抗扰时间时，则继续等待第三实时电流。

步骤S4中，如果所述第四实时电流不小于重燃弧电流检测值且不小于重燃弧电流检测值的第四实时电流持续时间超过抗扰时间时，则保护跳闸，且计数器清零，同时执行步骤S1。

步骤S4中，如果不小于高压断路器额定电流的第三实时电流持续时间不超过T3时间时，继续等待检测第三实时电流；如果小于重燃弧电流检测值的第四实时电流持续时间不超过T4时间时，则继续等待检测第四实时电流。

所述T1时间和T3时间均为[90ms，110ms]，所述T2时间为[290ms，310ms]，所述T4时间不小于300ms，所述抗扰时间为[5ms，20ms]；所述重燃弧电流检测值为高压断路器额定电流的40％～60％。

本发明的另一目的在于提出一种高压断路器开断试验中重燃弧故障的保护装置，其可以完成高压断路器开断试验过程中出现的重燃弧保护，从而对大容量实验站实现实时全程跟踪保护，大大延长了大容量实验站自身开关或电器设备的寿命，并帮助故障试品高压断路器研发人员及时准确，快速定位故障点，否则被试品在爆炸后一片废墟，很难定位触头故障薄弱点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高压断路器开断试验中重燃弧故障的保护装置，其包括：

交流采样和电源插件，所述交流采样和电源插件用于为保护装置供电并采集高压断路器实时电流；

保护及MMI插件，所述保护及MMI插件用于接收交流采样和电源插件采集的高压断路器实时电流并执行上述的高压断路器开断试验中重燃弧故障的保护方法；

所述保护及MMI插件包括DSP保护模块和MMI处理模块，其中，所述DSP保护模块和MMI处理模块之间通过高速串口实现数据交换，且所述DSP保护模块用于通过高速AD转换器接收交流采样和电源插件采集的高压断路器实时电流并执行上述的高压断路器开断试验中重燃弧故障的保护方法，所述MMI处理模块用于人机界面处理；

开入开出插件或/和操作电路模块插件；

所述开入开出插件包括开入量输入通道和开出通道，所述开入通道包括位置操作、功能投退操作和外部操作，所述开出通道包括保护跳闸出口和信号、重合闸、非电量跳闸以及非电量告警；

所述操作电路模块插件包括继电器出口和断路器操作电路，所述继电器出口包括断路器控制出口和信号出口，所述断路器控制出口包括保护跳闸、重合闸出口、断路器遥控分合出口，所述信号出口包括预告总信号、故障信号和动作信号，所述断路器操作电路包括位置信号的出口和异常信号的出口，所述位置信包括断路器合位、分位位置以及合后位置；所述异常信号包括事故总信号和控制回路断线，同时启动所述预告总信号的控制信号；

总线板，所述交流采样和电源插件、保护及MMI插件、开入开出插件或/和操作电路模块插件均通过总线与该总线板相连，用于实现交流采样和电源插件与保护及MMI插件之间的通讯、以及保护及MMI插件与开入开出插件或/和操作电路模块插件之间的通讯。

本发明具有如下有益效果：

本发明解决了目前所有大容量实验站在进行高压断路器开断试验过程中，由于大容量实验站自身的开关或电器设备串联在整个回路中，当试品出现故障时，大容量实验站自身的开关或电器设备被作为了陪葬品，加速了自身设备的老化和退役的问题。另外还能帮助高压断路器研发人员针对故障试品及时准确，快速定位故障薄弱点，迅速提高改善产品性能。本发明可以根据试验程序和高压断路器开关操作程式实时跟踪保护，不仅能实现普通继保的所有功能，还能完成高压断路器开断试验过程中出现的重燃弧或重击穿保护，从而对大容量实验站实现实时全程跟踪保护，大大延长了大容量实验站自身开关或电器设备的寿命。

附图说明

图1为现有高压断路器开断原理的时序图；

图2为本发明较佳实施例的大容量实验站高压断路器开断实验中重燃弧故障的保护方法的流程图；

图3为本发明较佳实施例的大容量实验站高压断路器开断实验中重燃弧故障的保护装置的原理框图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。

请参照图2所示，通过大容量实验站在高压断路器开断实验中重燃弧故障的保护方法，其包括以下步骤：

步骤1、检测高压断路器实时电流，此时高压断路器为关合状态，并定义此时高压断路器的实时电流称为第一实时电流，当第一实时电流大于(或等于)高压断路器额定电流(I1)时，DSP微处理器的计数器开始计时，如果该第一实时电流小于高压断路器额定电流，则计数器清零，继续等待检测该第一实时电流；

当不小于高压断路器额定电流的第一实时电流持续时间超过(大于)抗扰时间(抗扰时间可根据具体需要进行设置，一般情况下可取5-20ms)时，计数器会继续计时，并且会持续跟踪实时电流，如果持续时间没有超过抗扰时间，说明可能是干扰电流，则计数器清零，继续等待检测该第一实时电流。也就是说只有第一实时电流不小于高压断路器额定电流且其持续时间超过抗扰时间时，才会执行步骤2。

步骤2、计数器持续计时，当第一实时电流不小于高压断路器额定电流且持续时间超过T1时间(90ms≤T1≤110ms，优选100ms)，此时高压断路器处于开断状态，检测此时高压断路器实时电流(定义为第二实时电流)是否超过重燃弧电流检测值(I2，I2约为I1的

40％～60％)，如果第二实时电流超过重燃弧电流检测值，则判断超过重燃弧电流检测值的第二实时电流的持续时间是否超过抗扰时间(通过计数器计算得到)，如果超过抗扰时间，则启动保护程序，保护跳闸，同时计数器清零，重新关合高压断路器回到步骤1的操作。而如果从T1时间起至T1+T2时间(290ms≤T2≤310ms)止，第二实时电流一直没超过重燃弧电流检测值或者超过重燃弧电流检测值的持续时间不超过抗扰时间，则进行步骤3的操作。

步骤3、检测高压断路器实时电流，此时高压断路器处于关合状态，定义此时高压断路器实时电流为第三实时电流，判断该第三实时电流与高压断路器额定电流，如果小于高压断路器额定电流且持续时间大于T3时间(90ms≤T3≤110ms，优选100ms)，则说明试验结束了，计数器清零，重新回到步骤1的操作。

如果第三实时电流大于(或等于)高压断路器额定电流(I1)时，且不小于高压断路器额定电流的第三实时电流持续时间大于抗扰时间时，则计数器开始计算该不小于高压断路器额定电流的第三实时电流持续时间大于T3时间，如果是，则执行步骤4的操作。

而当不小于高压断路器额定电流的第三实时电流持续时间不超过抗扰时间、或者不小于高压断路器额定电流的第三实时电流持续时间不超过T3时间、或者小于高压断路器额定电流的第三实时电流的持续时间不超过T3时间，则继续等待检测第三实时电流(再次执行步骤3的操作)。

步骤4、计数器持续计时，当第三实时电流不小于高压断路器额定电流且持续时间超过T3时间，此时高压断路器处于开断状态，检测此时高压断路器实时电流(定义为第四实时电流)是否超过重燃弧电流检测值，如果第四实时电流超过重燃弧电流检测值，则判断超过重燃弧电流检测值的第四实时电流的持续时间是否超过抗扰时间，如果超过抗扰时间，则启动保护程序，保护跳闸，同时计数器清零，重新关合高压断路器回到步骤1的操作。而如果从T3时间起至T1+T2+T3+T4时间(T4不小于300ms)止，第四实时电流一直没超过重燃弧电流检测值或者超过重燃弧电流检测值的持续时间不超过抗扰时间，则计数器清零，重新回到步骤1的操作。

通过大容量实验站在高压断路器开断实验中重燃弧故障的保护装置，该保护装置用于实现上述保护方法。请参照图3所示，该保护装置具体包括以下部分：

1、交流采样与电源插件(AI/POWER插件)

交流采样与电源插件选用高性能的开关电源作为工作电源，开关电源位于插件的上部。开关电源可产生5V、±12V以及24V四组电压供给保护装置使用。

交流采样与电源插件上还安装了共13个模拟量输入互感器，其中包括8个电流互感器和5个电压互感器。为了提高测量精度，装置配置了保护CT和测量CT。经过互感器变换和隔离后的信号直接通过总线板输入到保护及MMI插件的无源滤波通道。

2、保护及MMI插件(CPU插件)

保护及MMI插件为本保护装置的核心，保护及MMI插件上的元件安装全部采用SMT贴片工艺，以此提高抗干扰能力和大批量生产能力。保护及MMI插件上有两个CPU模块：MMI处理模块和DSP保护模块。MMI处理模块和DSP保护模块通过高速串口交换数据，因此测量数据和SOE事件的刷新和上传速度很快。

保护及MMI插件上的MMI处理模块和DSP保护模块均具有很好的自我检测功能，而且MMI处理模块和DSP保护模块之间可以互相监视，当其中任一个CPU模块出现永久性故障时，另一个CPU就会给出告警信息(告警信息为保护出口或界面提示；在MMI处理模块故障时，DSP保护模块给出保护出口信息；在DSP保护模块故障时，MMI处理模块给出界面提示信息)。MMI处理模块主要负责保护装置的人机界面处理(液晶显示和键盘操作)；DSP保护模块主要负责保护装置的开入采集、电量运算、保护逻辑判断、出口传动和故障录波等工作。DSP保护模块的运算CPU，其采用先进的工业级DSP处理器，DSP保护模块还选用了工业级16位高速AD转换器。这样的硬件平台，使得保护装置具备很高的运算速度和测量精度。该DSP保护模块还包括一个硬件测频单元和一个出口检测回路。

通讯方面，保护及MMI插件提供了与MMI处理模块相连接的一个RS485接口、一个CAN接口和一个Ethernet接口，可用于实现与外围监控设备通讯。

3、开入开出插件(DI/RO插件)

开入开出插件配置了14路开入量输入通道，其中10路有一个公共端，另外4路有一个公共端。每个开入量输入通道可以硬件选择AC/DC220V、DC110V或DC24V电压。每个开入量输入通道可以通过菜单或者调试软件自由配置，可选择功能包括位置、功能投退、外部操作。

开入开出插件上有6路开出通道。它们既可用作控制出口又可用作信号出口，用户可通过保护装置菜单或通讯方式分别对它们的具体用途进行灵活配置，可定义的信号包括：保护跳闸出口和信号、重合闸、非电量跳闸、非电量告警等。

4、操作电路模块插件

操作电路模块插件同时集成了继电器出口和断路器操作电路两部分功能。其中：

继电器出口由两部分组成：断路器控制出口和信号出口。断路器控制出口包括：一组保护跳闸(如有需要，可以再外扩一组，第二组接口主要用于跳闸配变低压侧断路器，可以自定义开入开出插件上的备用出口实现)、一组重合闸出口、一组断路器遥控分合出口；信号出口包括：预告总信号(常闭接点，可按键复归)、故障信号(常闭接点，该信号发生时同时启动预告总信号)、动作信号。

断路器操作电路具备跳合闸保持、防跳、断路器位置监视、跳合闸回路监视等功能，其能够提供两类出口：位置信号的出口和异常信号的出口。其中，位置信号有：断路器合位、分位位置以及合后位置信号；异常信号有：事故总信号(自保持，只能通过加手动分闸信号复归)和控制回路断线，同时启动预告总信号的控制信号。

5、总线板

总线板作为一个载体，用以将保护装置的上述四个功能插件联系起来。同时，总线板上集成了用于人机显示的196×64点阵液晶(颜色为白底黑字)、9个菜单操作键和8个LED信号灯。在保证抗干扰性良好的前提下，如此的设计使得保护装置结构简洁紧凑，拆卸方便，利于现场维护。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。