张鹏飞¹, 丁登伟², 杨新志³, 刘焱⁴, 李星², 何良²
1. 国家电网有限公司, 北京 100031;
2. 清华四川能源互联网研究院, 成都 610213;
3. 中国长江电力股份有限公司, 宜昌 443002;
4. 中国电力科学研究院有限公司, 北京 100192
收稿日期：2022-10-27
基金项目：国家自然科学基金面上项目(51977120)
作者简介：张鹏飞(1983—), 男, 高级工程师
通讯作者：丁登伟, 教授级高级工程师, E-mail: sunnyall123@163.com

摘要：带合闸电阻的气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear，GIS)断路器结构复杂，故障率较高。断路器合闸过程中辅助触头可能发生弹跳，导致主断口被击穿，危及设备绝缘安全。为此，该文提出了基于合闸过程暂态电压检测的辅助触头弹跳状态监测和诊断方法。利用不同断路器对同一条空载气体绝缘输电线路(gas insulated line，GIL)进行充电试验。试验结果表明：不带合闸电阻的断路器在合闸过程中，触头间出现电弧熄灭和复燃现象，激发的暂态电压包含丰富的高频振荡分量；带合闸电阻的断路器在合闸过程中，产生2种差异明显的暂态电压，Ⅰ类暂态电压不含高频振荡分量，由辅助断口预击穿和重击穿产生，Ⅱ类暂态电压与不带合闸电阻的断路器合闸时激发的暂态电压类似，包含丰富的高频振荡分量，由辅助触头弹跳后主断口被击穿引起。该文通过对带合闸电阻的断路器合闸过程进行分析，解析合闸过程的暂态电压波形，提出以辅助触头弹跳熄弧时间间隔作为表征辅助触头弹跳状态的特征因子，可实现断路器运行状态的有效监测和评估。
关键词：气体绝缘开关设备断路器合闸电阻暂态电压辅助触头弹跳监测和诊断
Monitoring and analysis of the auxiliary contact bounce of a gas-insulated switchgear circuit breaker according to transient voltage
ZHANG Pengfei¹, DING Dengwei², YANG Xinzhi³, LIU Yan⁴, LI Xing², HE Liang²
1. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China;
2. Sichuan Energy Internet Research Institute, Tsinghua University, Chengdu 610213, China;
3. China Yangtze Power Corporation Co., Ltd., Yichang 443002, China;
4. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China

Abstract: Objective Gas-insulated switchgear (GIS) circuit breakers (CBs) with a closing resistor are characterized by structural complexity and a high failure rate. The auxiliary contact of the closing resistor may bounce during the closing process of the GIS CB. The bounce of the closing resistor contacts may cause arc restriking between the auxiliary contacts and aggravate the ablation of the contacts. Moreover, the auxiliary contact bounce may lead to the breakdown of the main break, resulting in high transient voltage and threatening the equipment insulation. Therefore, monitoring and evaluating the bounce of the auxiliary contact of the closing resistor is crucial. Methods In this paper, the closing process of a CB with a closing resistor and the bounce of the auxiliary contacts were analyzed. Then, a method for monitoring and diagnosing the bounce condition of the auxiliary contact of the closing resistor according to the transient voltage during the closing process was proposed. An ultrawide-frequency-band sensing technology for transient voltage detection was introduced, and an online transient voltage-monitoring system based on the voltage divider sensing technology was realized. The effective measurement bandwidth of this system is 10 Hz-100 MHz. Two CBs (with and without a closing resistor) were used to charge the same gas insulated line (GIL), and the transient voltage during the CB closing process was monitored. Results The transient voltage and closing resistor contact bounce during the closing of two CBs were analyzed and compared, and the following conclusions were obtained. During the closing process of the CB without a closing resistor, the excited transient voltage contained rich high-frequency components. During the closing process of the CB with a closing resistor, two types of transient voltages (type Ⅰ and Ⅱ) were generated. Type Ⅰ did not contain any high-frequency components, and type Ⅱ was similar to the voltage generated during the closing process of the CB without a closing resistor. The type Ⅰ voltage was induced by the breakdown between the auxiliary contacts, and the type Ⅱ voltage was generated by the breakdown between the main contacts during the bounce of the auxiliary contacts. Through the online monitoring of the transient voltage during the CB closing process, the bounce of the auxiliary contacts and the breakdown voltage of the main break were analyzed, and the time interval between the first breakdown of auxiliary contacts and arc extinction after the bounce was proposed to characterize the bounce condition of the auxiliary contacts. Conclusions Owing to the existence of a closing resistor, there is a difference between the transient voltages generated by the breakdown of the auxiliary break and the main break. During the closing process of the CB with a closing resistor, the breakdown occurred in the main break, indicating that the auxiliary contact bounced and that the closing resistor did not function. Therefore, through analysis of the moment at which the second type of transient voltage appears during the closing process of CBs with a closing resistor, the online monitoring and diagnosis of the bounce condition of the closing resistor contact could be realized. The results of this study can guide the effective monitoring and evaluation of the operating condition of CBs and provide a reference for the design and online monitoring of CBs with closing resistors.
Key words: gas-insulated switchgear circuit breakerclosing resistortransient voltageauxiliary contact bouncemonitoring and diagnosis
高压断路器在电力系统中被大量使用，承担系统控制和保护的职责，即在系统运行中完成系统电路的关合和开断，并在系统突发故障时完成故障电流开断和故障电路隔离^[1-4]。高压断路器的关合和开断操作可在电力系统中产生高于正常运行电压的暂态电压，即操作过电压，而操作过电压会影响电力系统绝缘，因此，限制高压断路器的操作过电压对电网绝缘配合和安全运行十分重要。随着电网电压等级升高，电网绝缘配合的裕度相对降低，电力系统对操作过电压的抑制更为严格^[5-9]。
高压断路器装设合闸电阻装置是抑制操作过电压的一个重要方法。合闸电阻装置包含辅助开关和合闸电阻，在合闸过程中，辅助开关先通过合闸电阻关合电路，抑制合闸过程产生的操作过电压，再关合高压断路器主开关，使合闸电阻装置发生短路，最终完成电路关合。对于超特高压电网，高压断路器在关合长架空线路和换流变压器等时通常需要装设合闸电阻，以防止产生过高的操作过电压^[10-12]。
然而，合闸电阻装置具有较为复杂的机械结构，且故障率较高，是诱发电力系统故障的一个重要原因。在带合闸电阻的高压断路器的合闸过程中，辅助触头弹跳就是引发电力系统故障的一个原因，辅助触头弹跳导致主断口被击穿，使合闸电阻失效，未受抑制的操作过电压会威胁设备绝缘。
为及时发现高压断路器合闸电阻装置的机械缺陷，避免引发电力系统故障，因此开展合闸电阻运行状态在线检测技术研究十分必要。过去对合闸电阻装置运行状态在线检测技术的研究主要集中在合闸电阻阻值和合闸电阻总投入时间等方面^[13-15]，对断路器合闸过程中辅助触头弹跳的研究和分析相对较少。其中，李劲彬等^[16]提出一种利用检测合闸电阻投入波形信号进行分析诊断的方法，该方法需要在检测回路中串入直流电源和检测电阻，且只能在断路器退出系统运行的条件下进行，无法做到在线检测和诊断。
本文基于气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear，GIS)的宽频带电压测量，提出一种高压断路器合闸电阻装置辅助触头弹跳的在线检测和诊断方法，通过测量和解析高压断路器合闸过程的高清暂态电压波形，提取辅助触头弹跳熄弧时间间隔作为特征参数，实现对辅助触头弹跳的状态评估。
1 GIS断路器合闸电阻工作原理在超特高压变电站，投切空载气体绝缘输电线路(gas insulated line, GIL)的断路器合闸电阻为400~600 Ω，投切换流变的断路器合闸电阻较大，约为1 500 Ω。合闸电阻大多采用碳化硅电阻片或金属无感电阻，合闸电阻的提前接入时间为7~12 ms。
目前，超特高压变电站所使用的断路器常采用并联式合闸电阻结构，原理电路和断口结构如图 1所示。辅助断口和合闸电阻先串联，再作为一个整体并联于断路器灭弧室主断口两端。断路器合闸时辅助断口先关合，合闸电阻接入，抑制合闸暂态电压；合闸电阻接入约10 ms后，灭弧室主断口关合，将合闸电阻短路，构成主通流回路。断路器分闸操作时，辅助断口首先断开，随后灭弧室主断口开断主回路电流，辅助断口不流过额定电流也不开断短路电流^[17-21]。

图 1 带并联式合闸电阻的断路器的原理电路和断口结构

图选项

辅助断口的静触头侧有复位弹簧。合闸操作时，动触头以较高速度与静触头接触，复位弹簧被压缩，动触头在机构带动下抵着静触头向静触头侧运动，被压缩的弹簧对静触头产生一个向动触头方向的力。当动触头运动到位后，在复位弹簧的作用下，对接式的辅助断口触头可能出现弹跳，辅助断口在机械上再次断开。
本文以单断口带并联式合闸电阻的断路器为对象，分析断路器合闸过程出现辅助触头弹跳的情况。整个合闸过程如图 2所示，大致分为5个阶段。

图 2 带并联式合闸电阻的断路器合闸过程

图选项

第1阶段：在断路器合闸指令下，主断口和辅助断口的动触头同时向静触头侧运动，主断口和辅助断口承受相同的电压差。由于辅助断口间距较小，辅助断口的动静触头间先于主断口发生电弧击穿现象，此时主断口两侧的电压为合闸电阻两端的电压，幅值较小，不足以导致主断口被击穿。
第2阶段：辅助断口的动触头以较高速度与静触头接触，静触头侧的复位弹簧被压缩，产生一个向动触头方向的力。辅助断口的动静触头实现有效机械接触，主断口的动静触头间距进一步减小。
第3阶段：动触头运动到位后，在复位弹簧的作用下，对接式辅助断口的动触头发生弹跳，之后向反方向运动，辅助断口的动静触头发生机械分离，辅助断口的动静触头间将再次出现电弧。当弹跳使辅助断口的触头间距较大时，电弧熄灭，断路器GIL侧保留残压。此时，主断口两侧的电压将发生较大变化，但主断口的动静触头由于触头间距较大，动静触头间未发生电弧击穿现象。
第4阶段：主断口的动静触头间距逐渐减小，主断口两侧的电压逐渐增大，当电压达到临界点时，主断口被击穿。之后，主断口间的电弧可能出现熄灭和复燃，由于触头间距越来越小，电弧复燃时，主断口两侧的电压降低。由于电弧击穿现象发生在主断口间，合闸电阻无法发挥抑制作用，因此电弧击穿所产生的暂态电压将含有较多的高频振荡分量。
第5阶段：主断口的动静触头完全接触，同时辅助断口的动静触头在发生弹跳后也逐渐恢复有效机械接触，该阶段不再发生电弧击穿现象，断路器完成合闸操作。
由上述分析可知，辅助触头弹跳可能引起辅助断口间发生电弧复燃，加剧动静触头烧蚀^[22]，同时可能导致主断口在弹跳期间被击穿，合闸电阻失去抑制作用，出现较大的暂态电压和电流，威胁设备绝缘。
2 GIS暂态电压在线监测由于合闸电阻的存在，辅助断口和主断口被击穿所产生的暂态电压存在差异。为此，本文提出了基于电容分压传感技术的GIS暂态电压宽频带监测方法，基于合闸过程中的暂态电压传感实现断路器合闸过程中辅助触头弹跳状态的实时监测。
2.1 宽频带电压测量系统基于电容分压原理的宽频带电压传感器主要由手孔盖板、感应电极和绝缘薄膜等构成^[22]，电压传感器安装于GIS手孔内，感应电极与电缆连接，电缆引出至GIS手孔外，具体结构如图 3所示。感应电极与GIS高压母线构成传感器的高压臂电容(0.001 pF级)，感应电极与手孔盖板构成低压臂电容(nF级)。

图 3 基于电容分压原理的宽频带电压传感器结构

图选项

为实现暂态电压宽频带测量，需要同时拓展测量系统的高频和低频特性。测量电缆和采集单元输入端的阻抗匹配限制测量系统的高频特性。采集单元的输入电阻限制测量系统的低频特性，低频截止频率决定于低压臂电路的时间常数。通过在电容分压传感器的低压臂两端并联阻抗变换单元，可同时改善测量系统的高频和低频特性。阻抗变换单元同时具有TΩ量级的输入阻抗和0.1 Ω以下的输出阻抗^[23]。测量系统的低频等效电路如图 4所示，U_in为待测电压，U_out测量系统输出电压，C₁为高压臂等效电容，C₂为低压臂等效电容，R为低压臂并联电阻，则低压臂电路时间常数τ和系统低频截止频率f_L可表示为：

图 4 测量系统的低频等效电路

图选项

$\tau=R C_2, $

(1)

$f_{\mathrm{L}}=1 /(2 \pi \tau) .$

(2)

一方面，阻抗变化单元的高输入阻抗能显著提高低压臂电路的时间常数，从而拓展测量系统的低频特性，低频截止频率可低至几赫兹。另一方面，阻抗变换单元较低的输出阻抗能实现理想的测量电缆和采集单元输入端口之间的阻抗匹配，从而拓展测量系统的高频特性，高频截止频率可达上百兆赫兹^[22]。
利用标准测量系统对基于电容分压原理的宽频带电压传感器的频响带宽进行标定。结果显示：该电压传感器的有效测量带宽为10 Hz~100 MHz。
2.2 暂态电压监测系统本文建立的GIS宽频带暂态电压在线监测系统主要包括电压传感器、阻抗变换单元、监测终端和控制单元。监测终端包含高速采样单元，采样率为250 MS/s，模拟带宽为100 MHz，存储深度为2 GB。所有单元均放置于金属屏蔽箱内，通过特种隔离变压器进行供电以抑制外部干扰侵入监测终端，避免影响信号采集。传感器和暂态电压监测终端的现场安装位置如图 5所示，监测终端固定在传感器外部的法兰上。

图 5 传感器和暂态电压监测终端现场安装位置

图选项

监测终端通过光纤与光交换机连接，光交换机通过网线连接至控制单元。控制单元可灵活配置监测终端的采样率、存储长度和触发模式等参数，可进行检测数据的自动存储和分析。
3 GIS断路器合闸暂态电压波形解析在某特高压换流站500 kV GIS上安装宽频带暂态电压在线监测系统，本文对变电站调试过程中断路器操作的暂态电压进行了测量。图 6为GIS内部暂态电压在线监测系统布置，系统调试内容包括：1) 断路器5062断开，断路器5063关合空载GIL于Ⅱ母，GIL长度为360 m；2) 断路器5063断开，断路器5061合闸，断路器5062关合空载GIL于Ⅰ母。宽频带暂态电压监测点位于GIL终端。

图 6 GIS内部暂态电压在线监测系统布置

图选项

断路器5063不带合闸电阻，断路器5062带有400 Ω的合闸电阻，当2台断路器分别对空载GIL充电时，合闸暂态电压存在差异。本文将分别对2台断路器合闸过程暂态电压进行波形解析，并分析合闸过程中辅助触头弹跳状态。
3.1 不带合闸电阻的断路器合闸暂态电压通过断路器5063对空载GIL进行充电时，断路器5063合闸激发的暂态电压整体波形如图 7所示。断路器5063合闸初期GIL侧电压波形如图 8所示，图中a、c、e表示触头间电弧击穿时刻，b、d表示触头间电弧熄灭时刻。合闸过程中，主断口的动静触头间首次发生电弧击穿(图 8a中a时刻)后，GIL侧电压与电源侧一致，呈工频变化。GIL侧电容负载小，流过主断口的容性电流小，在主断口的动静触头间距较大时，电弧熄灭(图中b时刻)。电弧熄灭之后，GIL侧将保留直流残压，并叠加较小幅值的工频感应电压。随后，主断口的动静触头间距进一步减小，主断口两侧的电压增大，动静触头间将再次被击穿。以此重复，直至断路器合闸完成，之后断路器两侧电压均呈工频变化。

图 7 断路器5063合闸激发的暂态电压整体波形

图选项

图 8 断路器5063合闸初期GIL侧电压波形

图选项

由图 8可知，在断路器5063合闸过程中，A相发生3次电弧击穿，2次电弧熄灭；B相发生3次电弧击穿，2次电弧熄灭；C相发生2次电弧击穿，1次电弧熄灭。
断路器5063合闸过程中首次发生电弧击穿所产生的暂态电压波形如图 9所示。由图 9可知，不带合闸电阻的断路器合闸时，主断口发生电弧击穿所产生的暂态电压包含丰富的高频振荡分量，高频振荡分量持续约50 μs，较低频的振荡分量持续约150 μs。合闸过程中主断口发生多次电弧击穿，每次产生的暂态电压均包含丰富的高频振荡分量。

图 9 断路器5063合闸过程中首次发生电弧击穿所产生的暂态电压波形

图选项

3.2 带400Ω合闸电阻的断路器合闸暂态电压通过断路器5062对空载GIL进行充电时，该断路器合闸初期GIL侧的电压波形如图 10所示。图 10中a、c、e、g和i等表示触头间电弧击穿时刻，b、d、f和h等表示触头间电弧熄灭时刻。在断路器5062合闸过程中，辅助断口的动静触头间首先被击穿，GIL侧电压与电源侧一致，呈工频变化。同时由于GIL侧电容负载小，流过辅助断口的容性电流小，辅助断口间的电弧熄灭。随后，辅助断口的动静触头间距减小、辅助断口间电压增大，辅助断口的动静触头间再次被击穿。以此重复，直至辅助断口完全关合。在约10 ms后，主断口的动静触头也将实现有效机械接触。合闸过程中，辅助触头如果能稳定接触，主触头的动静触头间就不会发生电弧击穿。

图 10 断路器5062合闸初期GIL侧的电压波形

图选项

由图 10可知，断路器5062合闸过程中，A相发生4次电弧击穿，3次电弧熄灭；B相发生5次电弧击穿，4次电弧熄灭；C相发生3次电弧击穿，2次电弧熄灭。与断路器5063合闸过程不同，断路器5062合闸过程中激发了2类不同的暂态电压，分别为图 10中所示的Ⅰ和Ⅱ。A相Ⅱ类暂态电压出现在图 10a中e时刻，B相Ⅱ类暂态电压出现在图 10b中e时刻，C相Ⅱ类暂态电压出现在图 10c中c时刻。
断路器5062合闸过程中首先出现的是Ⅰ类暂态电压，其波形如图 11所示。该类暂态电压不包含明显的高频振荡分量，由辅助断口的动静触头间被击穿引起。辅助断口串联了400 Ω的合闸电阻，极大抑制了电弧击穿所产生的高频振荡分量。

图 11 断路器5062合闸时Ⅰ类暂态电压波形

图选项

Ⅱ类暂态电压出现在辅助断口的动静触头间首次被击穿后数毫秒，A相约7.8 ms，B相约7.5 ms，C相约9.8 ms。Ⅱ类暂态电压波形如图 12所示。由图 12可知，A、B、C三相中的Ⅱ类暂态电压均包含明显的高频振荡分量，与断路器5063合闸时主断口的动静触头间被击穿所激发的暂态电压特征相似，由此推断A、B、C三相中的Ⅱ类暂态电压由断路器5062主断口的动静触头间被击穿产生。在带合闸电阻的断路器合闸过程中，断路器主断口的动静触头间发生电弧击穿，说明在合闸电阻投入过程中出现辅助触头弹跳，且辅助触头弹跳距离较大，导致合闸电阻失去作用。因此，通过检测断路器合闸过程中的暂态电压，分析Ⅱ类暂态电压出现的时刻，可实现对合闸电阻辅助触头弹跳状态的有效监测和诊断。

图 12 断路器5062合闸时Ⅱ类暂态电压波形

图选项

4 基于暂态电压的辅助触头弹跳图 13为带并联式合闸电阻的断路器合闸特征参数。通过对带合闸电阻的断路器合闸过程(见图 2)和合闸暂态电压(见图 10)的分析，本文提取了图 13中合闸暂态电压的特征时刻和特征参数。由图 13可知，t₁时刻辅助断口的动静触头间发生第1次电弧击穿，此时断路器处于图 2中合闸Ⅰ阶段。t₂时刻断路器GIL侧电压近似线性变化，此时辅助断口的动静触头分离且电弧熄灭，随后发生的下一次电弧击穿出现了Ⅱ类暂态电压，表明t₂时刻辅助断口的动静触头处于弹跳状态，断路器处于图 2中合闸Ⅲ阶段。t₃时刻出现Ⅱ类暂态电压，表明此时断路器主断口的动静触头间发生电弧击穿，产生高频振荡分量丰富的暂态电压，断路器处于图 2中合闸Ⅳ阶段。

图 13 带并联式合闸电阻的断路器合闸特征参数

图选项

根据带并联式合闸电阻的断路器典型合闸暂态电压，辅助触头弹跳熄弧时间间隔可表示为

$T=t_2-t_1.$

(3)

其中：T为合闸过程中从辅助断口首次被击穿至辅助触头弹跳后触头间电弧熄灭之间的时间间隔，即辅助触头弹跳熄弧时间间隔。
进一步，定义主断口击穿电压：

$U=u_2-u_1.$

(4)

其中：u₁为t₂时刻断路器辅助断口弹跳后触头间电弧熄灭时的电源侧电压，即GIL侧的残压；u₂为t₃时刻断路器主断口发生电弧击穿时电源侧的电压。
利用断路器5062对空载GIL进行3次合分操作，统计每次合闸暂态电压的辅助触头弹跳熄弧时间间隔和主断口击穿电压，其关联关系曲线如图 14所示。由图 14可知，T越小，U越大。对T和U进行线性拟合，两者近似满足如下线性关系：

图 14 合闸特征参数的关联关系曲线

图选项

$U=-79 T+853.$

(5)

拟合结果表明：当辅助触头弹跳熄弧时间间隔接近11 ms时，主断口击穿电压接近0 kV。换言之，辅助触头在辅助断口首次出现电弧击穿后11 ms发生弹跳，此时主断口击穿电压接近0 kV，表明主断口已关合，主触头发生有效机械接触，这与该断路器的设计基本一致。从拟合结果来看，辅助触头弹跳熄弧时间间隔越小，主断口击穿电压越大，这表示主断口的动静触头间距越大，发生电弧击穿时产生的暂态电压越大，对设备绝缘危害越大。极端情况下的主断口击穿电压约853 kV，接近于发生峰峰值击穿，此时产生的暂态电压幅值大、高频振荡分量较大、持续时间长，对设备绝缘将构成严重威胁。
通过以上分析可知，带合闸电阻断路器辅助触头发生弹跳，将导致主触头间被击穿，并产生高频振荡分量丰富的暂态电压，从而威胁设备绝缘。因此，带合闸电阻的断路器操作机构从机械设计和装配工艺上应当尽量避免发生辅助触头弹跳。弹跳不可避免时，应当使辅助触头弹跳熄弧时间间隔较大，避免辅助触头弹跳后主断口被击穿时产生过高的暂态电压。在GIS运行过程中，断路器经过多次开合后，辅助触头机械特性可能发生变化，触头弹跳情况未知。如前所述，最坏情况下辅助触头弹跳可能导致主断口击穿电压接近于发生峰峰值击穿，产生幅值较高的暂态电压。而通过对断路器合闸过程中的暂态电压开展实时监测，准确提取辅助触头弹跳熄弧时间间隔和主断口击穿电压作为特征参数，同时利用三相横向对比，可实现断路器辅助触头弹跳状态的有效监测和评估，为该类设备的设计和运维提供参考。
5 结论本文利用基于电容分压的电压传感技术实现了GIS内部暂态电压宽频带监测，提出了基于GIS内暂态电压检测的断路器辅助触头状态检测评估方法，主要结论如下：
1) 不带合闸电阻的断路器在对空载GIL充电时，触头间将出现电弧熄灭和复燃现象，产生包含丰富高频振荡分量的暂态电压。
2) 带合闸电阻的断路器在对空载GIL充电时，辅助断口被击穿时产生的暂态电压中的高频振荡分量被抑制，而辅助触头发生弹跳将导致主断口被击穿，激发高频振荡分量丰富的暂态电压。
3) 通过对断路器合闸暂态电压开展实时监测，解析合闸过程暂态电压，分析辅助触头的弹跳和主触头间的击穿电压等情况，可为此类断路器的设计和现场监测提供参考。

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