真空斷路器現(xiàn)場(chǎng)切并聯(lián)電抗器過電壓的研究

真空斷路器現(xiàn)場(chǎng)切并聯(lián)電抗器過電壓的研究

真空裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、免費(fèi)維護(hù)、壽命長(zhǎng)、適合頻繁操作等特點(diǎn)，在電氣系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但同時(shí)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?jiǎn)栴}在投切并聯(lián)電抗器組時(shí)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(hù)措施的效果,需要對(duì)真空斷路器投切并聯(lián)電抗器的運(yùn)行情況進(jìn)行試驗(yàn)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(diǎn)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(zhǎng)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(duì)這種電抗器作了現(xiàn)場(chǎng)投切試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果運(yùn)行編號(hào)：20511.3試驗(yàn)結(jié)果的分析1.3.1合閘相對(duì)地有文件由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表可以看出此真空斷路器投電抗器的合閘相對(duì)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(jì)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(shí)會(huì)達(dá)到相當(dāng)高的程度,相對(duì)地過電壓最大值為5.83倍,在沒有復(fù)燃現(xiàn)象存在時(shí)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(shí)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(shí)這兩相之間的相間過電壓是最高的,有時(shí)可達(dá)85～92kV(如第3、4次的BC線電壓),已經(jīng)超出了運(yùn)行設(shè)備的絕緣水平,而氧化鋅避雷器對(duì)此類快波前、短周期的操作過電壓保護(hù)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(diǎn)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(zhǎng)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(hào)為L(zhǎng)G12-0.4/40-1(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(duì)這種電抗器也作了投切試驗(yàn)。2.2試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)行編號(hào)：2051數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2,典型波形見圖6、7。2.3分閘伸長(zhǎng)值不高,波尾成頻率低。據(jù)表1,2.由統(tǒng)計(jì)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(jì)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(duì)比實(shí)例一中的數(shù)據(jù)可以看出無(wú)論是合閘過電壓還是分閘過電壓,實(shí)例二中的數(shù)據(jù)都較低,且實(shí)例二中沒有快波前的操作過電壓,可見阻容吸收裝置對(duì)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(jī)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(jì)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(duì)鐵心、電纜等對(duì)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(shí),如果被開斷的負(fù)荷側(cè)暫態(tài)恢復(fù)電壓及其上升率高于斷口絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)能力和恢復(fù)速度,電弧就會(huì)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(diǎn),斷口再次滅弧,再次截流,如果被開斷的負(fù)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(qiáng)度的恢復(fù)能力和恢復(fù)速度,就會(huì)再次重復(fù)“擊穿—滅弧”的過程,直到斷口的絕緣強(qiáng)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(shí),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(shí)例一和實(shí)例二的試驗(yàn)中都沒有發(fā)現(xiàn)重燃現(xiàn)象,但重燃時(shí)的過電壓?jiǎn)栴}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(shí)沒有進(jìn)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(shí)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(shí)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(hù)和設(shè)備4.1電抗器側(cè)對(duì)地電容的應(yīng)用根據(jù)實(shí)例一和實(shí)例二的對(duì)比和截流、復(fù)燃等過電壓產(chǎn)生的機(jī)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)安裝氧化鋅避雷器,以可靠地保證設(shè)備絕緣不會(huì)因過電壓而損壞。4.2阻容吸收裝置運(yùn)行要求選擇過電壓保護(hù)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(yùn)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(duì)運(yùn)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(dòng)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(zhǎng)期運(yùn)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(hù)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(shí)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(shí)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(jì)算公式(式3),選取電阻值R=40Ω時(shí),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(jìn)行計(jì)算);實(shí)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(dá)到阻尼的目的。此時(shí)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(shí)有時(shí)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(duì)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