高压断路器的投合和开断操作能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，影响电力系统绝缘。因此，限制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，绝缘配合的裕度相对降低，对操作过电压的抑制更为严格。

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。对于超特高压电网，高压断路器关合长架空线路和换流变压器等通常需要装设合闸电阻，防止产生严重的操作过电压。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，辅助触头弹跳是引发故障的一个原因，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，开展合闸电阻运行状态在线检测技术研究十分必要。以往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，但对于断路器合闸过程中辅助触头弹跳状态在线检测缺乏研究和关注。

研究方法

由于合闸电阻的存在，辅助断口击穿和主断口击穿产生的暂态电压存在差异。为此，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，实现断路器合闸过程中辅助触头弹跳状态的实时监测。

成果简介

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重燃现象，产生包含丰富高频分量的暂态电压；带合闸电阻的断路器在对空载GIL充电过程中，辅助断口被击穿时产生的暂态电压中的高频分量被抑制。然而，辅助触头发生弹跳将导致主断口被击穿，激发高频分量丰富的暂态电压；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，可实现辅助触头的弹跳和主触头间的击穿电压等情况的监测，可为此类断路器的设计和现场监测提供参考。

图文导读

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，具体结构如图1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GIS手孔盖板构成低压臂电容（nF级）。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，系统有效测量带宽10 Hz～100 MHz。

图1 基于电容分压原理的宽频带电压传感器结构

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，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2为GIS内部暂态电压在线监测系统布置，暂态电压监测点位于GIL终端。分别利用两台断路器关合GIL对其进行充电。其中，断路器5063不带合闸电阻，断路器5062带有400 Ω的合闸电阻。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。

图 2  GIS内部暂态电压在线监测系统布置

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。

作者简介

丁登伟，博士，教授级高级工程师，现任清华四川能源互联网研究院装备数字化与智能化技术研究所执行主任，正高级工程师，四川省“天府青城”计划专家，成都市劳动模范，成都工匠，全国电力设备状态维修与在线监测标委会委员、四川省科技厅科技项目评审专家、四川省科技厅成果评价鉴定专家、国内外多个知名刊物（IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、IEEE Transactions on Power Delivery等SCI期刊）审稿人、IEEE/IET/中国电机工程学会会员。一直致力于电力设备在线监测与智能诊断关键技术研究、设备研发和应用推广工作，长期聚焦多维物理感知、物联网平台、大数据分析等前沿技术在大型电力设备检测领域的应用研究，主持、参与国家和省级重大专项科技计划项目5项，能源企业横向科技项目50余项。历年来发表专业论文100余篇，其中SCI收录20余篇，EI收录50余篇；申请专利40余项，获得软件著作权8项。作为主要起草人参与编制行业标准3项、企业标准5项。荣获四川省科技进步奖等省部级科技进步奖6项，国网四川省电力公司科技进步一等奖4项、二等奖3项，其研究成果成功应用于国家电网公司、南方电网公司、大唐观音岩等多座大型水电站等行业重点企业。

文章信息

张鹏飞,丁登伟,杨新志等.基于暂态电压的GIS断路器辅助触头弹跳监测与分析[J/OL].清华大学学报(自然科学版):1-9[2023-05-05].https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.012.

期刊介绍

《清华大学学报（自然科学版）》创刊于1915年，已有百年历史，是中国最早同时以大学校名和“学报”冠名的期刊。《清华大学学报（自然科学版）》现由清华大学出版社出版，月刊。作为名副其实的“老字号”期刊，众多学术权威的力作与莘莘学子的处女作在其上交相辉映，使之成为清华大学自强不息、厚德载物的科学精神的见证。

清华大学学报（自然科学版）》被多家国际性文献检索机构如Ei、CA、MR、РЖ、INSPEC、Zbl等及国内多家全国性文献检索机构如中文核心期刊要目总览、CSCD、CNKI 等收录。1999、2003年荣获第一、二届国家期刊奖，2005年荣获第三届国家期刊奖提名奖，2010、2013年荣获第二、三届中国出版政府奖期刊提名奖，2009年被评为“新中国60年有影响力的期刊”，2013、2015、2017年荣获全国百强科技期刊。