真空斷路器現(xiàn)場切并聯(lián)電抗器過電壓的研究

真空斷路器現(xiàn)場切并聯(lián)電抗器過電壓的研究

真空裝置結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、免費維護、壽命長、適合頻繁操作等特點，在電氣系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但同時真空斷路器也有一些不足之處,如截流、彈跳、復(fù)燃、重燃和由此而產(chǎn)生過電壓。過電壓問題在投切并聯(lián)電抗器組時顯得特別突出。為了解此過電壓(幅值及頻率)的情況,并比較保護措施的效果,需要對真空斷路器投切并聯(lián)電抗器的運行情況進行試驗研究。1示例11.1鐵心串聯(lián)電抗器天津某220kV變電站150MVA主變的10kV系統(tǒng)裝有中性點不接地的BKSC-6000/10型容量為6000kvar的三相鐵心并聯(lián)電抗器,投切并聯(lián)電抗器斷路器為3AH5404W型真空斷路器,斷路器到電抗器的聯(lián)絡(luò)線為YJV22-10、3×150mm2,長度約90m的雙纜,電抗器側(cè)的避雷器為HY5WR5-17/45型氧化鋅避雷器。天津市電力科學(xué)研究院對這種電抗器作了現(xiàn)場投切試驗。試驗中使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄了電抗器側(cè)的電壓和電流波形、母線側(cè)的電壓波形,見圖1～5、表1。1.2試驗結(jié)果運行編號：20511.3試驗結(jié)果的分析1.3.1合閘相對地有文件由統(tǒng)計數(shù)據(jù)表可以看出此真空斷路器投電抗器的合閘相對地過電壓倍數(shù)沒有超過3.0。從合閘波形看出合閘過電壓的波前在10μs以下,周期在20μs之內(nèi),屬快波前操作過電壓。1.3.2復(fù)燃是過高所需的復(fù)燃電壓,其復(fù)燃比是緩波前操作電壓的2.從分閘的波形可以看出分閘過電壓主要有兩種,第一種是與感容元件的自由振蕩類似的截流過電壓,如圖5所示,第二種是復(fù)燃過電壓,如圖4所示。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)表可以看出此真空斷路器切電抗器的分閘過電壓在有復(fù)燃存在時會達到相當(dāng)高的程度,相對地過電壓最大值為5.83倍,在沒有復(fù)燃現(xiàn)象存在時僅為1.57倍,可見復(fù)燃是導(dǎo)致分閘過電壓過高的主要原因。首開相的自由振蕩頻率為2517Hz,隨后開斷的兩相振蕩頻率為3350Hz,屬于緩波前操作過電壓。圖4中注1為復(fù)燃過電壓,復(fù)燃相的過電壓上升沿為20～50μs,屬于緩波前操作過電壓。圖4中注2為復(fù)燃時在沒有復(fù)燃的兩相上的感應(yīng)過電壓波形,其波前在10μs之內(nèi),周期在20μs以下,屬快波前操作過電壓,其幅值比復(fù)燃相還要高,同時這兩相之間的相間過電壓是最高的,有時可達85～92kV(如第3、4次的BC線電壓),已經(jīng)超出了運行設(shè)備的絕緣水平,而氧化鋅避雷器對此類快波前、短周期的操作過電壓保護效果不明顯。2示例22.1酸氣網(wǎng)絡(luò)接口天津地區(qū)另一220kV變電站120MVA主變的10kV系統(tǒng)裝有中性點不接地的BKSC-5000/10型容量為5000kvar的三相鐵心并聯(lián)電抗器8組,投切用的斷路器為3AH2115-2型真空斷路器,斷路器到電抗器的聯(lián)絡(luò)線為YJV22-10、3×150mm2、長度90～110m的雙纜,電抗器側(cè)接有氧化鋅避雷器,所不同的是電抗器側(cè)、母線側(cè)都接有型號為LG12-0.4/40-1(電容0.4μF、電阻40Ω)的干式過電壓吸收器。天津市電力科學(xué)研究院對這種電抗器也作了投切試驗。2.2試驗結(jié)果運行編號：2051數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2,典型波形見圖6、7。2.3分閘伸長值不高,波尾成頻率低。據(jù)表1,2.由統(tǒng)計數(shù)據(jù)表可以看出此真空斷路器投電抗器的合閘過電壓倍數(shù)沒有超過1.3;從合閘的波形可以看出合閘過電壓波前約為20～100μs,但幅值不高,波尾近似工頻。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)表可以看出此真空斷路器切電抗器的分閘過電壓倍數(shù)沒有超過2.0;從分閘的波形可以看出分閘過電壓為截流過電壓,其首開相振蕩頻率為786Hz,后開斷兩相振蕩頻率為958Hz,屬緩波前過電壓。對比實例一中的數(shù)據(jù)可以看出無論是合閘過電壓還是分閘過電壓,實例二中的數(shù)據(jù)都較低,且實例二中沒有快波前的操作過電壓,可見阻容吸收裝置對真空斷路器投切并聯(lián)電抗器的操作過電壓有很好的抑制效果。3在切割過程中，操作過載產(chǎn)生的機理3.1品質(zhì)因數(shù)的確定并聯(lián)電抗器等效回路以電容、電感為主,這種回路的電壓電流是不能突變的,截流必然引起劇烈的電磁振蕩。忽略阻尼作用,根據(jù)能量守恒定律可推導(dǎo)出單相電抗器截流過電壓的估計值。12CU02+12LI2ch=12CU2m12CU02+12LΙch2=12CUm2上式中L——電抗器電感量;Ich——截流幅值;C——電抗器繞組對鐵心、電纜等對地的等效電容;Um——等效電容上的電壓最大值;U0——等效電容上的初始電壓。Um=LCI2ch+U20?????????√Um=LCΙch2+U02(1)振蕩頻率為:f=12πLC√f=12πLC(2)如果考慮阻尼的作用,其品質(zhì)因數(shù)為:Q=1RLC??√Q=1RLC(3)由(1)可以看出真空斷路器截流值越高、雜散電容越小,截流過電壓越高。三相系統(tǒng)的截流過電壓更為復(fù)雜,但其原理基本相同。3.2截流電壓上升率的確定斷路器在開斷時,如果被開斷的負荷側(cè)暫態(tài)恢復(fù)電壓及其上升率高于斷口絕緣強度的恢復(fù)能力和恢復(fù)速度,電弧就會在瞬間將斷口擊穿,產(chǎn)生復(fù)燃,并在復(fù)燃相上產(chǎn)生復(fù)燃過電壓,在其它相上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓,隨后高頻暫態(tài)電流出現(xiàn)過零點,斷口再次滅弧,再次截流,如果被開斷的負荷側(cè)暫態(tài)恢復(fù)電壓及其上升率仍然高于斷口絕緣強度的恢復(fù)能力和恢復(fù)速度,就會再次重復(fù)“擊穿—滅弧”的過程,直到斷口的絕緣強度足夠大,不再產(chǎn)生復(fù)燃。在真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器時,其暫態(tài)恢復(fù)電壓主要由截流引起,因此截流過電壓的頻率直接體現(xiàn)了暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率;很高的頻率導(dǎo)致很高的暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率,很高的暫態(tài)恢復(fù)電壓和暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率導(dǎo)致很高的復(fù)燃幾率。3.3真空功能老明實例一和實例二的試驗中都沒有發(fā)現(xiàn)重燃現(xiàn)象,但重燃時的過電壓問題仍然需要考慮。一般情況下真空斷路器的重燃是由于滅弧室制造時沒有進行老煉造成的,在真空滅弧室采取老煉措施后,真空斷路器的重燃幾率很低。重燃和多次重燃的過電壓產(chǎn)生過程與復(fù)燃的過程類似,多次重燃的過電壓水平也是很高的。3.4“擊穿—合閘過電壓在實例一中的合閘過電壓主要是由于合閘彈跳的存在使斷路器出現(xiàn)了類似復(fù)燃的“擊穿—滅弧”過程,抬高了合閘過電壓水平。實例二中雖然也可以看到彈跳現(xiàn)象,但沒有出現(xiàn)類似復(fù)燃的“擊穿—滅弧”過程,過電壓水平較低。4環(huán)境保護和設(shè)備4.1電抗器側(cè)對地電容的應(yīng)用根據(jù)實例一和實例二的對比和截流、復(fù)燃等過電壓產(chǎn)生的機理,建議在電抗器側(cè)、母線側(cè)分別加裝阻容吸收裝置,以增大母線側(cè)、電抗器側(cè)的對地電容,既可以降低截流過電壓的幅值,又可以降低截流過電壓的頻率,改善斷路器滅弧條件,降低復(fù)燃概率,從而降低真空斷路器投切并聯(lián)電抗器時的操作過電壓。但即使安裝了阻容吸收裝置也不能保證斷路器不發(fā)生重燃、復(fù)燃,同時還有可能出現(xiàn)非預(yù)期的諧振,出于安全性考慮,應(yīng)在電抗器側(cè)、母線側(cè)同時安裝氧化鋅避雷器,以可靠地保證設(shè)備絕緣不會因過電壓而損壞。4.2阻容吸收裝置運行要求選擇過電壓保護設(shè)備的主要參數(shù)應(yīng)考慮以下主要問題:(1)限制截流過電壓的頻率,建議將其限制在1000Hz以下;(2)運行中阻容吸收裝置的諧振頻率避開系統(tǒng)中常見的諧波頻率;(3)對運行中的阻容吸收裝置的諧振頻率加必要的阻尼,以防止擾動激發(fā)阻容吸收裝置與電抗器的電感產(chǎn)生諧振造成過高的過電壓;(4)阻容吸收裝置應(yīng)能夠保證長期運行;(5)阻容吸收裝置的絕緣水平應(yīng)與系統(tǒng)的絕緣水平相一致;(6)避雷器的參數(shù)應(yīng)能夠保護設(shè)備的絕緣。4.3電容極間工作電壓的選擇根據(jù)諧振公式(式2)和實例一,電抗器的電感參數(shù)可以確定,諧振頻率1000Hz的電容量為0.48μF,考慮電容器的參數(shù)有5%的誤差,可選取的電容量為0.504μF,取整后為0.5μF,再加上90m、3×150mm2雙電纜的電容量0.0504μF,使用0.5μF電容的實際諧振頻率為931Hz,可以很好的避開系統(tǒng)常見的17次以下的諧波。根據(jù)品質(zhì)因數(shù)計算公式(式3),選取電阻值R=40Ω時,Q=7.76,考慮系統(tǒng)中的偶次諧波最高含量3.2%,奇次諧波最高含量1.6%,則電容、電抗器上的最高電壓為U(1+0.032×7.76)pu=1.25pu(選用偶次諧波的百分?jǐn)?shù)進行計算);實際的系統(tǒng)中并沒有如此高的諧波含量,且正好與電抗器——RC回路諧振,故選擇R=40Ω的電阻即可達到阻尼的目的。此時電容的極間工作電壓應(yīng)考慮采用1.3pu及以上的電壓。電阻的額定電流應(yīng)采用1.3倍的電容正常工作電流。適用的推薦參數(shù)見表3。5空開關(guān)截流導(dǎo)致的復(fù)燃電壓(1)真空斷路器投切并聯(lián)電抗器的操作過電壓主要由真空開關(guān)截流引起;(2)真空斷路器切并聯(lián)電抗器時有時復(fù)燃過電壓水平高于截流過電壓水平;(3)阻容吸收裝置對真空斷路器投切并聯(lián)電抗器的操作過電壓有很好的抑制效果。6