高壓ＳＦ６斷路器電流零區(qū)測量研究綜述

摘 要：電流零區(qū)測量對標(biāo)定評價斷路器開斷性能、改進(jìn)斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要，設(shè)計一套高精度、便攜、可靠、安全的零區(qū)測量系統(tǒng)一直是行業(yè)的追求，國內(nèi)外研究者在測量方法和測量裝置研制方面做了很多創(chuàng)新性工作。從高壓斷路器滅弧原理出發(fā)，梳理提出了零區(qū)測量的難點和關(guān)鍵點，綜述了國內(nèi)外研究者提出的測量方案及效果。綜合考慮多維度產(chǎn)業(yè)需求，研制了一套便攜性和動態(tài)特性好的零區(qū)測量系統(tǒng)，并在實際斷路器產(chǎn)品試驗中進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明：該系統(tǒng)抗干擾性和重復(fù)性好，能夠滿足產(chǎn)品研發(fā)需求。結(jié)合零區(qū)測量系統(tǒng)研究及使用經(jīng)驗，提出了零區(qū)測量系統(tǒng)的未來展望，為后續(xù)交直流開關(guān)的研發(fā)提供參考。

關(guān) 鍵 詞：高壓斷路器；電流零區(qū)測量；電弧電壓；弧后電流；分壓器；羅氏線圈

中圖分類號：ＴＭ８３５４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２４）０５－０５５７－１１

高壓斷路器的核心功能是開斷電力系統(tǒng)中不同類型的電流，包括短路電流、負(fù)荷電流、容性電流、小感性電流和負(fù)荷電流等，對保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。１９０７年，世界上第一臺斷路器由美國人ＫＥＬＭＡＮ發(fā)明，在此后一百多年的演變過程中，先后出現(xiàn)了多油斷路器、壓縮空氣斷路器、少油斷路器、真空斷路器、ＳＦ６ 斷路器和ＳＦ６替代氣體斷路器等不同熄弧介質(zhì)的斷路器［１］。發(fā)展至今，在１２６ｋＶ及以上電壓等級應(yīng)用中，ＳＦ６斷路器占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和新能源大規(guī)模接入，我國正在建成世界規(guī)模最大、復(fù)雜程度最高的電網(wǎng)，超大容量開斷、柔性開斷、低頻開斷等新型開斷工況不斷涌現(xiàn)，對高壓斷路器的設(shè)計能力提出新的挑戰(zhàn)。

在電流過零前后非常短的時間內(nèi)，電弧物理量的變化對評價、預(yù)測斷路器開斷能力至關(guān)重要，該過程常常被稱為電流零區(qū)［２－７］。電弧電壓峰值、電弧電阻、弧后電流峰值及到達(dá)峰值的時間等零區(qū)數(shù)據(jù)被認(rèn)為是評估、預(yù)測斷路器開斷能力的關(guān)鍵參數(shù)［８－９］。然而，斷路器在超音速氣吹的作用下，電弧等離子體迅速冷卻復(fù)合，宏觀層面表現(xiàn)為零區(qū)電流和電壓在微秒時間間隔內(nèi)急劇變化。加上斷路器試驗過程大電流、高電壓工況對測量的干擾，毫安級別的弧后電流測量難度較大。截至目前，國內(nèi)外僅初步形成了零區(qū)電弧電壓和電流等寥寥幾種相對有效的測量手段，且仍然存在電流零點難準(zhǔn)確定位、帶寬難提升等問題，對斷路器開斷技術(shù)提升形成了一定的制約。因此，有必要對零區(qū)電弧電壓和電流測量技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，為零區(qū)測量技術(shù)研究提供參考。

本文首先介紹高壓斷路器開斷原理和開斷過程中的電弧現(xiàn)象，梳理提出零區(qū)測量的難點和關(guān)鍵點，然后綜述電弧零區(qū)測量國內(nèi)外研究進(jìn)展以及本團(tuán)隊研究工作，最后展望零區(qū)測量技術(shù)的發(fā)展趨勢，為從事該領(lǐng)域的研究人員提供一定的參考。

１ 零區(qū)測量難點

１.１ 高壓斷路器滅弧原理

圖１是一個典型的ＳＦ６氣體斷路器開斷過程示意圖。

高壓ＳＦ６斷路器開斷過程如下：

１）合閘狀態(tài)。斷路器動、靜弧觸頭閉合，斷路器內(nèi)部無電弧產(chǎn)生。

２）起弧階段。當(dāng)斷路器收到分閘指令后，動弧觸頭開始運(yùn)動并逐漸與靜弧觸頭脫離。在強(qiáng)電場作用下，動、靜弧觸頭間氣體被擊穿，斷路器內(nèi)部開始產(chǎn)生電弧。

３）燃弧階段。此時，電弧充分發(fā)展，隨著電流的增大逐步填滿噴口喉部。在高溫電弧加熱或膨脹室內(nèi)冷氣體的綜合作用下，噴口上、下游之間形成較大的壓力差，產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣吹，為動、靜弧觸頭間電弧冷卻和介質(zhì)恢復(fù)創(chuàng)造良好條件。

４）熄弧階段。電流過零前，在斷路器強(qiáng)大氣吹冷卻作用下，等離子體迅速復(fù)合，引起電弧電導(dǎo)率降低，且電弧形態(tài)變細(xì)、扭曲或分叉，造成電弧電阻急速上升和電壓急劇變化。電流過零后數(shù)微秒內(nèi)，快速暫態(tài)過電壓以極高的斜率上升，而斷路器斷口間等離子體尚未完全失去導(dǎo)電性，從而引起弧后電流的產(chǎn)生。

１.２ 零區(qū)測量難點分析

零區(qū)電弧電壓和電流測量難點分析如下：

１）被測信號及其變化率跨度范圍大，對采樣率和帶寬要求高。電壓信號變化范圍約為０～１.０×１０１０ Ｖ／ｓ，電流變化范圍約為１.０×１０－２～１.０×１０５ Ａ，要求測量裝置在整個測量范圍保持線性，并具有很大的測量帶寬，以跟蹤亞微秒時間常數(shù)的弧后電流參數(shù)。然而，受到結(jié)構(gòu)、傳感器材料發(fā)熱引起電阻率變化等因素的限制，電流傳感器的帶寬提升絕非易事。

２）測量誤差的消除問題。測量誤差主要包含兩部分，一是測量回路本身引起的誤差，二是干擾信號。如圖２所示高壓斷路器試驗，被測電弧密封在斷路器內(nèi)部，無法將測量線直接接到電弧兩端。雖然可以讓傳感器盡可能靠近斷路器，但傳感器和被測對象之間仍然有一段導(dǎo)體，不可避免會在電弧電壓測量中引入回路壓降。另外，斷路器斷口之間存在電容，電弧電壓產(chǎn)生的容性電流會疊加到弧后電流上，從而產(chǎn)生電流誤差。

３）測試系統(tǒng)的安全保障限制。零區(qū)電流測量主要采用分流器和羅氏線圈兩種方法。分流器是一個固定阻值的電阻，使用時與主回路串聯(lián)，在短路試驗過程中會產(chǎn)生巨大熱量，嚴(yán)重影響分流器結(jié)構(gòu)安全和測量精度。通常采取旁路手段，控制分流器在零區(qū)開始時投切。然而，零區(qū)持續(xù)時間短，加上試驗過程存在重復(fù)擊穿的情形，對分流器的投切控制提出挑戰(zhàn)。對羅氏線圈而言，短路試驗過程大電流引起的電磁力和感性線圈電阻引起的損耗發(fā)熱，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和帶寬提升帶來挑戰(zhàn)。

４）電流零點定位問題。羅氏線圈測量的是電流的微分信號，需要通過積分進(jìn)行信號還原，沒有意義明確的零電平，為電流零點時刻的定位帶來了困難。

為克服以上難題，國內(nèi)外研究者進(jìn)行多方面的探索，本文按照時間順序分別進(jìn)行綜述。

２ 電弧零區(qū)測量研究進(jìn)展

２.１ 電弧電壓測量

電弧電壓為電弧電阻和電流乘積，即

ｕａ＝ｉＲａ （１）

式中：ｕａ為電弧電壓：ｉ為流過斷路器的電流；Ｒａ為電弧電阻。對式（１）進(jìn)行求導(dǎo)，則有

ｄｕａ／ ｄｔ＝Ｒａ（ｄｉ／ｄｔ）＋ｉ（ｄＲａ ／ｄｔ） （２）

隨著電流逐漸減小接近于零，式（２）右端第１項為負(fù)值，且絕對值越來越大；而右端第２項為正值，其值隨著電流減小而逐漸趨于零。這會造成電弧電壓導(dǎo)數(shù)從正變負(fù)，導(dǎo)致電弧電壓先急劇上升到峰值，而后快速下降。該峰值通常會出現(xiàn)在過零前數(shù)微秒到數(shù)十微秒，其對評價斷路器開斷性能非常重要，是測量的重點之一。

電弧電阻是預(yù)測斷路器開斷性能的重要指標(biāo)之一，從式（１）可以看出，要測量電弧電阻必須要準(zhǔn)確測量零區(qū)電弧電壓和電流。

電弧電壓測量通常采用分壓器，分壓器接在斷路器兩側(cè)套管的接線端子上，導(dǎo)致被測電壓信號中不可避免會引入套管導(dǎo)體壓降、斷路器導(dǎo)體壓降等。尤其是當(dāng)短路電流達(dá)到數(shù)十千安時，線路壓降甚至能夠達(dá)到電弧電壓的１０％以上，必須設(shè)法消除。需要注意的是，該壓降會隨著試驗接線方式、電流大小變化而不斷變化，進(jìn)一步增加了誤差消除難度。為解決以上難題，國內(nèi)外研究者做了較多的研究。

２.１.１ 國外研究進(jìn)展

１９８８年，ＧＵＹ等［８］研制了一套零區(qū)測量系統(tǒng)，包括電弧電壓和弧后電流。該系統(tǒng)采用阻容分壓器進(jìn)行電弧電壓測量，其精度為１％，上升時間小于２００ｎｓ。但該系統(tǒng)未考慮主導(dǎo)電回路壓降的影響，測量結(jié)果存在較大誤差。

荷蘭ＫＥＭＡ試驗室ＳＭＥＥＴＳ等［９－１０］研制了一套零區(qū)測量系統(tǒng)，包含電弧電壓測量部分，測量電路示意圖如圖３所示。測量電流為寄生電容電流和電弧電流之和，測定電壓為電弧電壓和分壓器兩個接線點之間線路壓降之和，其控制方程為

式中：ｉｍ和ｕｍ 分別為測量電流和電壓；ｉａ、ｉｃ、ｕａ、Ｃ和Ｌ分別為電弧電流、電容電流、電弧電壓、線路并聯(lián)電容（包括雜散電容和斷路器斷口并聯(lián)的電容器電容）和線路電感。但只有３個方程，無法求解。

在接線完成之后、正式試驗之前，需要通過額外的試驗標(biāo)定確認(rèn)Ｌ和Ｃ。為了獲得線路電感Ｌ，讓斷路器處于合閘狀態(tài)，測量電壓ｕｍ 和電流ｉｍ。

此時斷路器閉合，沒有電弧產(chǎn)生，故ｕａ、ｉｃ均為零，有

ｕｍ ＝Ｌ（ｄｉｍ／ｄｔ） （４）

根據(jù)ｕｍ 和ｉｍ，即可求解Ｌ。

為了獲得電容Ｃ，讓斷路器處于分閘狀態(tài)，在斷路器兩端施加過電壓。此時沒有電弧產(chǎn)生，因此，電弧電流ｉａ為零，根據(jù)式（３）則有

ｉｃ＝ｉｍ

相比于暫態(tài)過電壓，可忽略線路電感產(chǎn)生的壓降，則

根據(jù)ｕｍ 和ｉｍ，即可求解Ｃ。

采用該方法能夠消除回路電感引起的額外壓降，但需要額外做標(biāo)定試驗，而且，當(dāng)接線方式發(fā)生變化時，還需要重新試驗標(biāo)定回路電感。

２０１７年，ＢＡＧＨＥＲＰＯＯＲ等［１１］研制了一套可用于在線監(jiān)測系統(tǒng)的電弧電壓測量裝置，聯(lián)合電流互感器采集的電流信號，用于監(jiān)測服役斷路器開斷過程電弧能量，評估滅弧室剩余電壓。

２.１.２ 國內(nèi)研究進(jìn)展

為解決線路壓降誤差，準(zhǔn)確測量電弧電壓，１９７６年西安高壓電器研究院（ＸＩＨＡＲＩ）的彭文達(dá)［１２］撰文，介紹了該院１９６５年提出的電弧電壓測量方法。該方法采用硬件補(bǔ)償?shù)姆绞?，在電弧電壓測量回路中額外設(shè)計了一條補(bǔ)償回路，將線路壓降通過差動連接的方式反方向接入，從而在測量結(jié)果中去除線路壓降，獲得精確的電弧電壓測量值。但該方法用到額外的補(bǔ)償回路，且當(dāng)試驗回路發(fā)生變化時，需要試驗前在回路中通入短路電流，對分壓器的分壓比重新進(jìn)行整定，試驗工作量大。

為避免硬件補(bǔ)償方式存在的弊端，２００１年西安高壓電器研究院的周會高等［１３］提出了一種軟件補(bǔ)償方法。該方法基于這樣一種假設(shè)：當(dāng)試驗接線完成后，燃弧前后試驗回路傳遞函數(shù)不變。具體做法如下：

１）在試驗接線完成后，進(jìn)行一次短路試驗，獲得試驗回路的傳遞函數(shù)；

２）通過正式試驗測量獲得短路電流和回路電壓，根據(jù)電流值和試驗回路傳遞函數(shù)計算線路壓降；

３）利用回路整體壓降減去線路壓降，即可獲得電弧電壓。

軟件補(bǔ)償方法頻帶為５ＭＨｚ，采樣頻率為１０ＭＨｚ。該方法的缺陷是需要先做一次短路電流試驗以獲得試驗回路傳遞函數(shù)。為解決這一問題，羅時聰?shù)龋郏保矗菅兄屏艘惶祝保玻叮耄蛛娀‰妷簻y試系統(tǒng)，采用算法消除線路壓降，從而避免了額外的短路電流試驗。其原理是：假設(shè)線路電阻、電感不變，推導(dǎo)主回路電流和電壓解析表達(dá)式，采用最小二乘法對解析表達(dá)式和燃弧前的電壓、電流模型進(jìn)行擬合，確定表達(dá)式的待定系數(shù)，進(jìn)而計算出線路電感Ｌ和電阻Ｒ，通過測量電流數(shù)據(jù)ｉ（ｔ）可獲得線路壓降，即

該系統(tǒng)最快響應(yīng)時間小于５μｓ，最高采樣頻率為１０ＭＨｚ。

采用與文獻(xiàn)［１４］類似的方法，平高集團(tuán)研制了一套５５０ｋＶ電弧電壓測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采樣頻率為１２５ＭＨｚ，分壓器帶寬為７ＭＨｚ，響應(yīng)時間小于０.１５μｓ，采用軟件補(bǔ)償方法消除線路壓降，滿足捕捉電弧電壓熄弧峰值的要求，能夠測量５５０ｋＶ及以下電壓等級斷路器的電弧電壓。

２.２ 零區(qū)電流

零區(qū)電流為評估斷路器開斷能力提供了關(guān)鍵信息，研究者通常對以下信息感興趣：１）電弧電壓除以電流得到的電弧電阻；２）弧后電流峰值及出現(xiàn)的時間；３）重燃發(fā)生后，弧后電流變化曲線等。

弧后電流持續(xù)幾微秒到數(shù)百微秒，且包含高頻的成分，要求測量裝置滿足以下要求：１）對毫安級別的小電流具有高靈敏度；２）小于０.１μｓ的時間分辨率；３）能夠耐受高級別故障電流；４）具有良好的安全防護(hù)措施，保障人員和設(shè)備安全；５）具有良好的抗電磁干擾能力。

為滿足以上技術(shù)要求，精確測量零區(qū)電流，國內(nèi)外研究者做了大量的研究工作，主要圍繞分流器和羅氏線圈開展研究，這兩種方法各有優(yōu)缺點。

２.２.１ 國外研究進(jìn)展

從技術(shù)發(fā)展歷程來說，研究者最早采用分流器進(jìn)行弧后電流測量。分流器實質(zhì)是一個擁有精確阻值的電阻，與被測斷路器串聯(lián)在一起，通過測量分流器的電壓降，并結(jié)合歐姆定律即可測量獲得流過斷路器的電流［１５］。該方法原理非常簡單，但存在以下弊端：

１）短路試驗過程中，電流峰值是弧后電流的１０００～１０００００倍，傳感器必須具有很高的過載能力。

２）降低電阻發(fā)熱和提高測量靈敏度這兩個目標(biāo)對分流器阻值的要求相互矛盾：為降低發(fā)熱，通常會將分流器阻值做得很低，但這又會降低信號的靈敏度和信噪比。

３）分流器要求低電阻、低電感、低集膚效應(yīng)和阻值精確，制造難度大且價格昂貴。

為克服以上困難，國外同行采取了各種辦法。例如在大電流階段把分流器旁路掉；在電流過零前取消旁路，讓被測電流流經(jīng)分流器。

１９７５年ＭＵＲＡＮＯ等［１６］采用０.０５Ω的分流器來提升測量靈敏度，并在分流器上并聯(lián)一個真空開關(guān)來實現(xiàn)分流器的旁路控制，其零區(qū)電流測量過程如圖４所示。在大電流階段真空斷路器閉合旁路掉分流器，避免分流器過熱。在電流過零前，真空斷路器分閘，將電流轉(zhuǎn)移到分流器支路，從而實現(xiàn)零區(qū)電流的測量。為減少分流器發(fā)熱，建議選用的真空斷路器電弧電壓控制在３０Ｖ以下。

１９７９年ＭＯＬＬ等［１７］采用在分流器上并聯(lián)二極管的方法，實現(xiàn)在大電流階段對分流器的旁路，二極管旁路分流器結(jié)構(gòu)如圖５所示。在大電流階段，由于二極管電阻小，電流主要流經(jīng)二極管所在支路。當(dāng)電流小到一定程度，二極管自動關(guān)斷，電流從二極管所在支路轉(zhuǎn)移到分流器所在支路。電流過零后，弧后電流方向與二極管導(dǎo)通方向相反，因而無法流過二極管，只能從分流器流過，從而實現(xiàn)零區(qū)電流的測量。該方法關(guān)鍵在于二極管性能，要求其必須有很大的正向載流能力，小的反向恢復(fù)時間和反向漏電流等。

１９８５年，ＭＡＨＤＡＶＩ等［１８］為解決采用真空斷路器做分流器旁路開關(guān)導(dǎo)致裝置過于復(fù)雜的問題，設(shè)計了一種基于湯姆遜效應(yīng)的旁路裝置，如圖６所示。該裝置包含一個高導(dǎo)電材料制成的可動桿件，桿件局部表面涂有絕緣材料，通過電磁線圈驅(qū)動實現(xiàn)桿件快速移動和控制分流器的投入，通過復(fù)位彈簧實現(xiàn)桿件復(fù)位和分流器的切出。分流器在過零前投入，測量時間持續(xù)６００μｓ。該裝置主要問題是觸頭機(jī)械滑動次數(shù)增加會降低裝置的導(dǎo)電性和測量可靠性。

１９８７年，ＶＯＫＵＲＫＡ等［１９］采用變壓器實現(xiàn)測量回路和主回路的隔離，其分流器結(jié)構(gòu)如圖７所示。將分流器放在二次回路，保證測量回路安全操作，且元件造價低。在大電流階段，快速二極管導(dǎo)通，在電流過零前后，電流減小至二極管關(guān)斷，電流從二極管支路轉(zhuǎn)移到分流器支路，實現(xiàn)零區(qū)電流的測量。

１９８８年，日立公司的ＨＡＫＡＭＡＴＡ等［２０］分析短路合成試驗回路后認(rèn)為，在弧后電流出現(xiàn)之前，電流源電流已經(jīng)過零，弧后電流出現(xiàn)在電壓源回路上?；诖?，設(shè)計了圖８所示的測量回路，可通過分流器２或分流器３測量零區(qū)電流，從而避免使用分流器１測量要承受很大電流的問題，降低對分流器大電流耐受能力的要求。分析發(fā)現(xiàn)，在實際試驗回路中有１０００ｐＦ左右的雜散電容，當(dāng)暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率很高時，如２５２ｋＶ、６３ｋＡ斷路器其Ｌ９０恢復(fù)電壓上升率超過１０ｋＶ／μｓ時，會產(chǎn)生１０Ａ左右的容性電流疊加到弧后電流上。進(jìn)一步分析認(rèn)為，容性電流會流過分流器２，但不會流過分流器３，采用分流器３可精確測量弧后電流。

１９８９年，ＢＬＥＺ等［２１］設(shè)計一種火花放電裝置，其結(jié)構(gòu)如圖９所示，該裝置能夠快速實現(xiàn)分流器在大電流階段旁路，并利用該裝置對零區(qū)電流測量精度進(jìn)行了分析。以５０ｋＡ額定短路電流為例，過零前電流變化斜率高達(dá)３×１０７Ａ／ｓ，且隨著電弧熄滅，電流斜率在極短的時間內(nèi)趨近于零，電路對電流傳感器帶寬要求極高。研究發(fā)現(xiàn)，帶寬越大，傳感器對零區(qū)電流測量信號的動態(tài)跟蹤效果越好。對實際斷路器而言，傳感器帶寬５ＭＨｚ能夠?qū)崿F(xiàn)弧后電流測量誤差小于０.１Ａ，可以滿足測量需要。

１９９３年，ＢＡＲＲＡＵＬＴ等［２２］認(rèn)為，現(xiàn)有系統(tǒng)機(jī)械旁路裝置過于復(fù)雜，而常規(guī)二極管開關(guān)速度不夠快，故設(shè)計了一種基于肖特基二極管的新型分流器旁路裝置，結(jié)構(gòu)如圖１０所示。肖特基二極管能夠在納秒時間內(nèi)實現(xiàn)開關(guān)操作，可顯著提升分流器的旁路速度，但二極管的電流承載能力弱。為克服這一缺點，他們同時增加了一組反并聯(lián)電力二極管，用于承載大電流。

國外針對分流器的研究總結(jié)如下：分流器的優(yōu)點是實現(xiàn)了電流信號的直接測量，且電流具有明確意義的零點。分流器的缺點主要有三方面：一是當(dāng)試驗發(fā)生重燃或重?fù)舸?，保護(hù)裝置必須能夠快速響應(yīng)實現(xiàn)分流器的保護(hù)，否則會造成分流器損壞，對分流器的控制保護(hù)系統(tǒng)要求極高；二是分流器直接與主回路相連，測量結(jié)果存在很大干擾；三是分流器尺寸大、質(zhì)量大，操作復(fù)雜且費用高昂。

鑒于分流器存在的問題，１９９３年，ＧＵＩＬＬＯＵＸ等［２３］提出了一種基于光纖法拉第效應(yīng)的零區(qū)測量方法。在法拉第效應(yīng)作用下，電流產(chǎn)生的磁場會導(dǎo)致光的偏轉(zhuǎn)，通過測量光信號來實現(xiàn)電流信號測量。該方法的一個顯著優(yōu)勢是實現(xiàn)了主通流回路和測量回路的隔離，測量靈敏度得以進(jìn)一步提高。

由于分流器存在種種弊端，更多的研究者轉(zhuǎn)而開發(fā)基于羅氏線圈的零區(qū)測量裝置。１９９５年，荷蘭ＫＥＭＡ試驗室的ＤＡＭＳＴＲＡ等［２４］提出采用羅氏線圈進(jìn)行斷路器零區(qū)電流測量的方法，羅氏線圈工作原理如圖１１所示。羅氏線圈測量的是電壓信號，電壓信號與被測電流之間的關(guān)系為

ｕｍ ＝Ｍｄｉｍ／ｄｔ （７）

式中，Ｍ為羅氏線圈互感。

傳感器直接測量得到的電壓信號對應(yīng)的是被測電流微分信號，需要通過積分將微分信號還原成電流信號，導(dǎo)致還原出的電流信號缺乏明確意義上的零點。為克服這一缺陷，相關(guān)文獻(xiàn)提出必須同步開展電弧電壓測量，通過電弧電壓零點確定電流零點時刻。該方法主要有以下優(yōu)點：

１）電流測量傳感器尺寸小，易于轉(zhuǎn)運(yùn)、攜帶和安裝；

２）主導(dǎo)電回路和測量回路完全隔離，測量信號干擾??；

３）動態(tài)測量范圍大，測量精度高。

如前文所述，在開斷試驗過程中，主通流回路電感會產(chǎn)生電壓信號疊加到電弧電壓測試結(jié)果上，被試斷路器及分壓器的電容會產(chǎn)生容性電流疊加到電流測量結(jié)果上。因此，在獲得原始測試數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理才能獲得真實的電弧電壓和零區(qū)電流，數(shù)據(jù)處理方法詳見文獻(xiàn)［２５］。

２０００年，ＫＥＭＡ試驗室的ＳＭＥＥＴＳ等［９］發(fā)文進(jìn)一步報道了電流零區(qū)測量技術(shù)進(jìn)展，并對基于羅氏線圈和分壓器的零區(qū)測量系統(tǒng)進(jìn)行了升級：電流傳感器帶寬升級到１０ＭＨｚ，電壓傳感器帶寬升級到５ＭＨｚ，采樣頻率為４０ＭＨｚ，幅值精度為１２ｂｉｔ，并配套有相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。

２０１０年以來，國外研究者將零區(qū)測量系統(tǒng)用于評估替代氣體的開斷性能，對替代氣體斷路器的開發(fā)起到了積極推動作用［２６－２８］。通常選擇ＳＦ６作為開斷參考基準(zhǔn)，采用零區(qū)測量系統(tǒng)對不同開斷介質(zhì)的弧后電流峰值、到達(dá)峰值的時間和持續(xù)時間等物理量進(jìn)行測量和對比，為斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有力數(shù)據(jù)支撐。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，瑞士的研究者又重拾分流器并聯(lián)二極管方案的研究。２０１７年，ＳＣＨＵＬＴＺ［２９］設(shè)計了一個分流器反并聯(lián)二極管的測量裝置，并進(jìn)行了小電流和大電流的測試。２０２０年，ＡＢＢ公司在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計了測試樣機(jī)，并對真空斷路器和替代氣體斷路器弧后電流進(jìn)行了測量［３０］。２０２１年，ＴＯＳＨＩＡＫＩ等［３１］應(yīng)用零區(qū)測量系統(tǒng)研究了斷路器設(shè)計參數(shù)對開斷能力的影響。他們將基于羅氏線圈的零區(qū)測量系統(tǒng)采樣頻率提升到１００ＭＨｚ，幅值精度提升到１４ｂｉｔ。

２.２.２ 國內(nèi)研究進(jìn)展

早在２０世紀(jì)６０年代，我國的西安交通大學(xué)、清華大學(xué)和華中工學(xué)院已經(jīng)開始零區(qū)電流測量研究。

為降低對分流器的要求，西安高壓電器研究院的彭文達(dá)等［３２］分析合成試驗回路特點，提出在電壓源回路部署分流器進(jìn)行零區(qū)電流測量，以降低對分流器熱容量的要求，從而可以減小分流器的尺寸、質(zhì)量和成本。所提測量電路如圖１２所示，常規(guī)接地點在分流器１和分流器２之間，為避免電壓源回路雜散電容電流流經(jīng)分流器２，在分流器２和分流器３之間設(shè)置了一個接地點，采用分流器２進(jìn)行零區(qū)電流測量。為避免電流源回路雜散電容電流流經(jīng)分流器２，在電流源回路設(shè)置兩個輔助斷路器同時動作，切斷電流源電流。同時在電流源回路增加接地電阻和電容，在輔助斷路器開斷后，為電流源電流提供接地點。

之后，國內(nèi)出現(xiàn)了一些對零區(qū)測量技術(shù)的應(yīng)用研究，如１９９３年，華中理工大學(xué)的鄒積巖等［３３］應(yīng)用分流器方法測量了擴(kuò)散型真空電弧的弧后電流；１９９４年，西安交通大學(xué)的何勝銀等［３４］應(yīng)用文獻(xiàn)［３３］提出的試驗方法，研究了真空斷路器的弧后電流特性；２０１４年，西安交通大學(xué)的朱凱等［３５］應(yīng)用ＫＥＭＡ試驗室生產(chǎn)的電流零區(qū)測量傳感器進(jìn)行了高壓氣體斷路器的零區(qū)電流測量。

２０１５年，鄭州大學(xué)的葛國偉等［３６］提出基于電流轉(zhuǎn)移的斷路器弧后電流測量方法，其電流轉(zhuǎn)移原理如圖１３所示。與文獻(xiàn)［２１］不同的是，在測量支路，轉(zhuǎn)移電阻只起到電流轉(zhuǎn)移的作用，弧后電流測量由安捷倫１１４７Ａ電流傳感器完成。但電流轉(zhuǎn)移存在失敗的情況，為提高電流轉(zhuǎn)移成功率，作者在零區(qū)施加脈沖橫向磁場。

２０１７年，思源電氣采用文獻(xiàn)［２５］方法，研制了一套電流零區(qū)測量系統(tǒng)［３７］。該系統(tǒng)采樣頻率為１００ＭＨｚ，信號幅值分辨率為１４ｂｉｔ，與ＫＥＭＡ系統(tǒng)一致，但未提及電流傳感器的動態(tài)特性。

３ 本團(tuán)隊研究進(jìn)展

面對電網(wǎng)建設(shè)需求，本團(tuán)隊長期開展高壓斷路器開斷技術(shù)研究和裝備研發(fā)工作。近年來，項目團(tuán)隊陸續(xù)攻克了高速開斷、低頻開斷和２５２ｋＶ單斷口真空開斷等一系列開斷難題。為解決這些開斷難題，項目團(tuán)隊對高壓斷路器零區(qū)測量技術(shù)有著強(qiáng)烈的需求。但ＫＥＭＡ試驗室的零區(qū)測量系統(tǒng)對國內(nèi)開關(guān)企業(yè)禁售，迫使項目團(tuán)隊走上了零區(qū)測量系統(tǒng)自主開發(fā)之路。

本團(tuán)隊開發(fā)的斷路器涉及ＳＦ６ 斷路器、環(huán)保氣體斷路器和真空斷路器等，額定開斷電流最高可到６３ｋＡ乃至８０ｋＡ。根據(jù)試驗需求，斷路器需要在分布于全國各地的短路試驗室開展試驗，對測量裝置的體積、質(zhì)量和安裝便捷性上提出了較高的要求。從高壓斷路器開發(fā)者的角度，希望零區(qū)測量系統(tǒng)能滿足以下要求：

１）尺寸小、易于攜帶和安裝，能夠滿足分布于全國各地的短路開斷試驗室的測量需求；

２）測量分辨率高、動態(tài)特性好、測量范圍大，能夠滿足ＳＦ６、環(huán)保氣體和真空斷路器各種開斷工況的測量需求；

３）抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理算法強(qiáng)大，能夠適應(yīng)不同短路試驗室環(huán)境；

４）設(shè)備安全性高，可重復(fù)使用，以降低開發(fā)成本。

綜合考慮以上因素，本文選擇了基于羅氏線圈的零區(qū)電流測量方法，配合分壓器同步開展零區(qū)測量，系統(tǒng)示意圖如圖１４所示。

由于結(jié)構(gòu)參數(shù)相互制約，羅氏線圈的測量靈敏度和測量帶寬之間存在矛盾。團(tuán)隊采用有限元和電路仿真相結(jié)合的方法，在保證測量靈敏度的基礎(chǔ)上，以提高頻率特性為目標(biāo)對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。最終設(shè)計了并制造了一個結(jié)構(gòu)小巧、動態(tài)特性好的電流傳感器，如圖１５所示［３８］。

經(jīng)實測，電流傳感器關(guān)鍵參數(shù)如下：１）量程，１０ｍＡ～６３ｋＡ（有效值）；２）測量頻帶，１Ｈｚ～２.５ＭＨｚ（平頂）；３）靈敏度，１０Ｖ／６３ｋＡ（５０Ｈｚ）；４）長度，５１０ｍｍ；５）直徑，１２０ｍｍ。

與文獻(xiàn)［１８］、［２７］方法不同，本團(tuán)隊提出的誤差消除方法基于軟件算法，無須額外進(jìn)行單獨標(biāo)定試驗去獲得主回路電感的參數(shù)。

為驗證測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，選?。迸_３６３ｋＶ?jǐn)嗦菲鬟M(jìn)行３次６３ｋＡ、Ｔ１０工況測量，燃弧時間分別為１０.３、１０.３和１０.５ｍｓ。由于該工況的等效電流只有６３ｋＡ，燒蝕對斷路器狀態(tài)改變少，且燃弧時間接近，可認(rèn)為３種工況狀態(tài)一致性較好。測量的電弧電壓如圖１６所示。

從圖１６可以看出，在過零２ｍｓ之前，３次試驗電弧電壓曲線基本重合，電弧電壓隨著時間的增加基本線性上升，電弧電壓在０～４００Ｖ之間。從過零２ｍｓ開始，電弧電壓基本呈指數(shù)上升，說明在過零前斷路器強(qiáng)大的氣吹能力開始發(fā)揮作用，電弧開始變細(xì)導(dǎo)致電弧電阻和電弧電壓急劇上升。此外，過零前３次試驗電弧電壓有較大偏差，充分說明電弧電壓的不穩(wěn)定性，也進(jìn)一步說明了斷路器開斷能力存在一定范圍的波動。

測量獲得的典型電弧電壓和弧后電流如圖１７所示，從圖１７中可以明顯觀察到零前電弧電壓峰值和弧后電流，為評價斷路器開斷性能、標(biāo)定電弧仿真模型提供參考。

本團(tuán)隊將該測量系統(tǒng)應(yīng)用于多種１２６ｋＶ及以上電壓等級的ＳＦ６ 斷路器、Ｃ４Ｆ７Ｎ環(huán)?；旌蠚怏w斷路器和真空斷路器的零區(qū)測量，已經(jīng)累計獲得了上百個試驗工況的測試數(shù)據(jù)，正在對這些試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，以進(jìn)一步提升電弧仿真精度，完善高壓斷路器開斷試驗判據(jù)。

４ 未來展望

本文結(jié)合高壓斷路器設(shè)備研發(fā)需求，對零區(qū)測量系統(tǒng)提出以下展望：

１）通過羅氏線圈繞組的優(yōu)化，進(jìn)一步提升零區(qū)電流傳感器平頂帶寬至１０ＭＨｚ以上，以滿足開斷性能越來越強(qiáng)的斷路器弧后電流測量需求。

２）研制羅氏線圈和分流器集成裝置，融合分流器明確電流零點以及羅氏線圈的高精度、抗干擾能力強(qiáng)等特點，實現(xiàn)電流零區(qū)的高精度測量。

３）提升后處理軟件能力，使其能夠快速提取電弧時間常數(shù)、燃弧能量等數(shù)據(jù)，方便商業(yè)化應(yīng)用。

４）建零區(qū)測量數(shù)據(jù)庫并挖掘價值數(shù)據(jù)，與斷路器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)對斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的快速評估。

本文認(rèn)為測量帶寬進(jìn)一步提升、羅氏線圈和分流器集成、后處理軟件以及零區(qū)測量數(shù)據(jù)庫建立和價值挖掘等方面研究尤為重要，應(yīng)該加大研究力度。

５ 結(jié) 論

通過以上分析可以得到如下結(jié)論：

１）闡述了高壓斷路器滅弧原理，分析提出了零區(qū)測量的４個難點，即被測信號及其斜率跨度范圍大，對采樣率和帶寬要求高，測量回路和強(qiáng)電磁干擾引起的誤差，測試系統(tǒng)的安全限制以及電流零點定位困難。

２）分析指出電弧電壓的動態(tài)范圍在０～１.０×１０１０Ｖ／ｓ之間，測量傳感器需要很大的動態(tài)測量范圍和較高采樣率，且必須注意消除隨接線方式、電流大小變化而變化的線路壓降。

３）隨著研究者對電弧電壓測量過程認(rèn)識的不斷深入和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，電弧電壓測量用分壓器帶寬和采樣率不斷提升，本文研制的分壓器帶寬和采樣率已分別達(dá)到７ＭＨｚ和１２５ＭＨｚ，基本滿足測量要求。線路壓降消除技術(shù)先后經(jīng)歷了硬件補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償加標(biāo)定試驗，直到目前的純軟件實現(xiàn)誤差消除，效率和便捷性大大提高。

４）零區(qū)電流測量技術(shù)先后經(jīng)歷了分流器和羅氏線圈兩個階段。分流器的優(yōu)點是可實現(xiàn)對電流的直接測量，有明確意義的電流零點，缺點是必須設(shè)計復(fù)雜的分流器快速旁路裝置以保護(hù)分流器，測量精度和抗干擾能力相互矛盾等；羅氏線圈的優(yōu)點是測量回路和主回路隔離，抗干擾能力強(qiáng)，裝置小巧、成本低，零區(qū)測量分辨率高，缺點是測量結(jié)果為電流微分信號，沒有明確意義的電流零點，需同步聯(lián)合電弧電壓測量確定電流零點。

５）本團(tuán)隊研制的零區(qū)電流傳感器，量程大、精度高、結(jié)構(gòu)小巧，已在ＳＦ６ 斷路器、Ｃ４Ｆ７Ｎ環(huán)保混合氣體斷路器和真空斷路器上進(jìn)行了應(yīng)用，并累積了上百個試驗工況的測試數(shù)據(jù)，為斷路器研發(fā)提供了支撐。

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（責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英）

特邀專家 鐘建英，２００６年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，教授級高工、博士生導(dǎo)師，中國電氣裝備集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司執(zhí)行董事、總經(jīng)理，輸變電裝備技術(shù)全國重點實驗室常務(wù)副主任，國務(wù)院特殊津貼專家，國家高層次人才，中國電機(jī)工程學(xué)會理事。從事輸變電裝備研究，主持國家、省（部）級科研項目１１項，解決了開關(guān)設(shè)備２６項世界技術(shù)難題，完全打破國外技術(shù)壟斷。研制的４種開關(guān)設(shè)備列為國家能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備項目，出版著作５部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文１３９篇，授權(quán)發(fā)明專利７１項，制訂國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)８項。獲得中國優(yōu)秀發(fā)明專利獎４項，省部級科學(xué)技術(shù)獎特等獎２項、一等獎９項。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（２０２１ＹＦＢ２４００６０４）；國家電網(wǎng)有限公司科技項目（５５００２０２４３２１４１Ａ１１ＺＮ）。