真空斷路器投切35 kV電抗器相關(guān)問(wèn)題研究

夏紅光，陸丹丹

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316021）

真空斷路器投切35 kV電抗器相關(guān)問(wèn)題研究

夏紅光，陸丹丹

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316021）

35 kV真空斷路器投切電抗器時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生較高的操作過(guò)電壓進(jìn)而引發(fā)故障，浙江省電力公司目前采取了多項(xiàng)措施來(lái)治理投切并聯(lián)電抗器引起的操作過(guò)電壓?；谡婵諗嗦菲魍肚胁⒙?lián)電抗器過(guò)程中截流、復(fù)燃、三相同時(shí)開斷過(guò)電壓產(chǎn)生的原理，針對(duì)所采取的治理措施展開計(jì)算和分析，從電路理論角度闡述各項(xiàng)措施的有效性。

真空斷路器；并聯(lián)電抗器；操作過(guò)電壓；電路理論

0 引言

隨著110 kV及220 kV電力電纜的廣泛應(yīng)用，線路產(chǎn)生大量的容性功率，主變壓器（以下簡(jiǎn)稱主變）低壓側(cè)需配置電抗器進(jìn)行補(bǔ)償。真空斷路器由于其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、免維護(hù)、滅弧能力強(qiáng)和適宜頻繁操作等優(yōu)異性能，在電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際運(yùn)行中，高壓真空斷路器也存在一些不足，如在開斷電抗器等感性負(fù)載時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生截流過(guò)電壓、多次重燃過(guò)電壓及三相同時(shí)開斷過(guò)電壓。2010年以來(lái)，浙江電網(wǎng)發(fā)生多起空母線開斷35 kV并聯(lián)電抗器引起所用變壓器（以下簡(jiǎn)稱所用變）損毀、主變出口短路等故障，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)安全運(yùn)行，尤其是在空母線開斷并聯(lián)電抗器時(shí)母線側(cè)過(guò)電壓?jiǎn)栴}顯得更為突出。針對(duì)真空斷路器投切35 kV電抗器易出現(xiàn)操作過(guò)電壓的問(wèn)題，浙江省電力公司采取了中性點(diǎn)斷路器投切、斷路器前置投切等多種措施，并取得了較好效果。但此類研究主要是基于ATPEMTP軟件的計(jì)算結(jié)果及研究者的經(jīng)驗(yàn)展開的，以下基于電路理論，對(duì)操作過(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，并通過(guò)計(jì)算值更加直觀地闡述各項(xiàng)具體治理措施的有效性。

1 真空斷路器投切電抗器產(chǎn)生的過(guò)電壓分析

真空斷路器投切電抗器時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生截流過(guò)電壓、多次重燃過(guò)電壓及三相同時(shí)開斷過(guò)電壓。

（1）截流過(guò)電壓。

因真空斷路器滅弧能力強(qiáng)，真空斷路器在開斷電抗器時(shí)，電流會(huì)被強(qiáng)迫過(guò)零而產(chǎn)生截流。并聯(lián)電抗器等效回路由電容、電感組成，電壓電流無(wú)法突變，因此截流可能會(huì)引起劇烈的電磁振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生較高的截流過(guò)電壓。

（2）重燃過(guò)電壓。

在斷路器分閘時(shí)，斷路器觸頭未完全開斷，動(dòng)、靜觸頭之間距離不大，而斷路器負(fù)載側(cè)電壓幅值和振蕩頻率很高，導(dǎo)致觸頭兩端電壓恢復(fù)速度遠(yuǎn)超過(guò)斷口絕緣強(qiáng)度恢復(fù)速度，觸頭可能被擊穿，導(dǎo)致電弧復(fù)燃。又由于真空斷路器強(qiáng)大的滅弧能力，復(fù)燃的電弧被強(qiáng)制滅弧，導(dǎo)致斷路器電弧不斷復(fù)燃—熄滅，由于電壓級(jí)升效應(yīng)，強(qiáng)度可能會(huì)不斷增強(qiáng)，直至觸頭間的距離足夠大，足以耐受恢復(fù)電壓為止。

（3）三相同時(shí)開斷過(guò)電壓。

斷路器開始分閘后，其中一相電壓會(huì)首先過(guò)零而出現(xiàn)熄弧，稱為斷路器首開相。但是當(dāng)首開相出現(xiàn)截流過(guò)電壓甚至多次重燃過(guò)電壓時(shí)，首開相的高頻電流會(huì)疊加在另外兩相的工頻電流上，使工頻電流在非自然過(guò)零點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)高頻過(guò)零點(diǎn)，被強(qiáng)制熄弧，造成了與截流效果相同的過(guò)電壓。此時(shí)的等效截流值很大，三相幾乎同時(shí)開斷，稱為三相同時(shí)開斷過(guò)電壓。據(jù)研究，35 kV并聯(lián)電抗器開斷過(guò)程中的等效截流值能達(dá)到100 A以上，產(chǎn)生極大的等效截流過(guò)電壓，進(jìn)而引起三相斷口的連續(xù)擊穿。

2 計(jì)算分析

研究表明，目前三相同時(shí)開斷過(guò)電壓是真空斷路器開斷35 kV并聯(lián)電抗器最常見、最嚴(yán)重的過(guò)電壓形式。而無(wú)論斷路器開斷時(shí)有否發(fā)生截流，首開相都會(huì)因?yàn)橛|頭兩端恢復(fù)電壓上升速度超過(guò)斷口絕緣強(qiáng)度恢復(fù)速度而復(fù)燃，隨后首開相高頻電流疊加在另兩相工頻電流上，被強(qiáng)制熄弧，造成了與截流效果相同的三相同時(shí)開斷過(guò)電壓。

浙江省電力公司已采取多項(xiàng)措施來(lái)防止并聯(lián)電抗器投切引起的操作過(guò)電壓，包括：35 kV系統(tǒng)帶出線投切電抗器、斷路器前置投切電抗器、中性點(diǎn)加裝斷路器投切電抗器。以下結(jié)合各項(xiàng)措施的原理并基于變電站實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，來(lái)驗(yàn)證措施的有效性。

2.1 變電站基本情況

某220 kV變電站有主變2臺(tái)，主變?nèi)萘繛?× 240 MVA，35 kV側(cè)裝有2×10 Mvar電抗器，35 kV母線無(wú)系統(tǒng)出線。220 kV變電站接線示意見圖1，并聯(lián)電抗器等值回路見圖2。根據(jù)變電站提供的母線長(zhǎng)度及尺寸，估算得到35 kV母線對(duì)地電容為500 pF，所用變與開關(guān)采用電纜連接，長(zhǎng)度約20 m，估算得到對(duì)地電容為4 000 pF。考慮部分設(shè)備間的其他連接，如主變至開關(guān)室母排15 m，估算對(duì)地總電容約200 pF，再考慮其他一些雜散電容后，35 kV母線對(duì)地總等效電容值為5 300 pF。電抗器每相電感Lk約0.4 H，油浸式電抗器對(duì)地雜散電容取1 000 pF。電抗器與開關(guān)之間采用電纜連接，長(zhǎng)度約60 m，電纜單相對(duì)地電容為12 000 pF，考慮到電容均勻分布，Cl0=Cl1=6 000 pF；電感為24 μH，忽略不計(jì)。

圖1 某220 kV變電站接線示意

圖2 并聯(lián)電抗器等值回路

2.2 空母線投切電抗器操作過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理分析

真空斷路器的滅弧能力很強(qiáng)，當(dāng)斷路器開斷電抗器時(shí)，不是在自然過(guò)零點(diǎn)熄弧，而在某一小電流值時(shí)強(qiáng)制截?cái)嘞ɑ?。由于電抗器回路繞組對(duì)地的雜散電容，電抗器回路組成了一個(gè)電感、電容回路，回路電壓電流無(wú)法突變，因此產(chǎn)生了高頻的電磁振蕩。

根據(jù)能量守恒定律，截流發(fā)生在某一瞬時(shí)I0時(shí)，電抗器上的電壓為U0，則截流瞬間電抗器的總儲(chǔ)能W為：

式中：LT為電抗器回路電感；CT為電抗器回路對(duì)地電容。

按能量守恒定律，當(dāng)磁能全部轉(zhuǎn)化為靜電電能時(shí)，電抗器上的電壓將達(dá)到最大值UTm，因此由截流引起的電抗器上的過(guò)電壓為：

振蕩頻率為∶

空母線并聯(lián)電抗器等值回路見圖3。一般真空斷路器截流電流在5 A左右，斷路器開斷后，在斷路器負(fù)載側(cè)發(fā)生電磁振蕩，此時(shí)，負(fù)載側(cè)電容為電抗器與斷路器之間的連接電纜及電抗器對(duì)地雜散電容之和，即CT=Cl0+Cl1+Ck=13 000 pF，U0=37 kV，LT=0.4 H。若真空斷路器發(fā)生截流，I0= 5 A，根據(jù)式（2）和（3），計(jì)算得到UTm=46 kV，f0= 2 200 Hz；若真空斷路器未發(fā)生截流，I0=0，則UTm=37 kV，f0=2 200 Hz。根據(jù)研究，無(wú)論是否發(fā)生截流，首開相都會(huì)復(fù)燃。首開相復(fù)燃后，負(fù)載側(cè)與系統(tǒng)側(cè)連通，此時(shí)振蕩電容CT1為系統(tǒng)側(cè)和負(fù)載側(cè)電容之和，即CT1=CT+Cm=18 300 pF，LT1=LT，假設(shè)電流為0不突變，則首開相復(fù)燃后，母線振蕩電壓、振蕩頻率分別為：

圖3 35kV空母線投切并聯(lián)電抗器等值回路

計(jì)算結(jié)果顯示，此時(shí)振蕩引起的電壓很高，斷路器端口電壓能達(dá)到擊穿絕緣水平的要求，而振蕩頻率又不是很大，達(dá)不到斷路器開斷失敗的條件，因此容易發(fā)生截流復(fù)燃再截流再?gòu)?fù)燃的現(xiàn)象，首開相的高頻電流會(huì)疊加在另外兩相的工頻電流上，造成了虛擬截流現(xiàn)象，最后發(fā)展為三相同時(shí)開斷的極端情況。

2.335 kV母線帶系統(tǒng)出線

若35 kV母線有出線，架空線路10 km，電纜線路3 km，線路電容CL約600 000 pF，LL為線路電感。35 kV母線帶系統(tǒng)出線并聯(lián)電抗器等值回路見圖4。

圖4 35kV母線帶系統(tǒng)出線投切并聯(lián)電抗器等值回路

首開相復(fù)燃后，回路電容為CT1=CT+Cm+CL= 613 000 pF，振蕩電容增大，振蕩電壓UTm1=，電壓下降，振蕩頻率f=3210Hz。而事實(shí)上，由于系統(tǒng)出線的電感與電抗器電感并聯(lián)后，并聯(lián)電感整個(gè)振蕩回路電感將更小，因此實(shí)際產(chǎn)生的振蕩電壓為UTm2=其值小于6.5 kV。

計(jì)算結(jié)果顯示，在系統(tǒng)有出線的情況下，特別是系統(tǒng)出線有電纜的情況下，首開相復(fù)燃后，由于系統(tǒng)側(cè)的電容很大，振蕩引起的電壓立刻下降，振蕩頻率下降，不會(huì)引起嚴(yán)重的操作過(guò)電壓。

2.4 斷路器前置投切并聯(lián)電抗器

采用斷路器前置投切（等值回路見圖5），即CT=Ck=1 000 pF，LT=LK=0.4 H，經(jīng)計(jì)算UTm=105 kV，f0=7 961 Hz。此時(shí)回路振蕩電壓幅值和頻率都很高，而斷路器開斷電流需要同時(shí)滿足2個(gè)條件：斷口電壓幅值大于斷口絕緣承受能力；電流過(guò)零時(shí)電流變化率不能超過(guò)一定幅值。此時(shí)由于電容很小，引起斷口電壓幅值很高，且振蕩頻率很高，因而容易造成斷路器開斷失敗，斷路器開斷失敗轉(zhuǎn)為續(xù)流后，過(guò)電壓將立即消失。

圖5 斷路器前置投切并聯(lián)電抗器等值回路

計(jì)算結(jié)果表明，采用斷路器前置投切，減少斷路器負(fù)載側(cè)的電容，電容減小到一定程度，則振蕩頻率變得很大，斷口電壓幅值很高，因此斷路器將無(wú)法滿足開斷條件，斷路器開斷失敗轉(zhuǎn)為續(xù)流，過(guò)電壓立即消失。

2.5 中性點(diǎn)斷路器投切并聯(lián)電抗器

中性點(diǎn)側(cè)裝設(shè)斷路器，采用中性點(diǎn)斷路器投切并聯(lián)電抗器等值回路見圖6。此時(shí)負(fù)載側(cè)回路被斷開，不再發(fā)生電磁振蕩，因此也無(wú)法產(chǎn)生操作過(guò)電壓。中性點(diǎn)斷路器系統(tǒng)側(cè)由于電容很大，電感很小，產(chǎn)生的振蕩電壓也不會(huì)很大。

圖6 中性點(diǎn)斷路器投切并聯(lián)電抗器等值回路

計(jì)算結(jié)果表明，加裝中性點(diǎn)斷路器后，采用中性點(diǎn)斷路器投切并聯(lián)電抗器，振蕩回路斷開，無(wú)法再發(fā)生電磁振蕩，因此不會(huì)再產(chǎn)生嚴(yán)重的操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

3 結(jié)論

針對(duì)治理并聯(lián)電抗器投切引起操作過(guò)電壓的各種措施，結(jié)合操作過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理及基于變電站實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：

（1）結(jié)合空母線投切電抗器產(chǎn)生操作過(guò)電壓的原因，無(wú)論是否發(fā)生截流，由于斷路器觸頭兩端恢復(fù)電壓上升速度遠(yuǎn)超過(guò)斷口絕緣強(qiáng)度恢復(fù)速度，因此斷路器首開相會(huì)發(fā)生復(fù)燃。復(fù)燃發(fā)生后，由于整個(gè)振蕩回路的電容不大，因此電壓很高，斷路器端口電壓能達(dá)到擊穿絕緣水平的要求，而振蕩頻率又不是很大，達(dá)不到斷路器開斷失敗的條件，因此容易發(fā)生截流復(fù)燃再截流再?gòu)?fù)燃的現(xiàn)象，最后發(fā)展為三相同時(shí)開斷的極端情況。

（2）35 kV母線帶系統(tǒng)出線投切并聯(lián)電抗器不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}。若35 kV母線有系統(tǒng)出線，特別是帶電纜出線，則斷路器系統(tǒng)側(cè)的電容很大，首開相復(fù)燃后，整個(gè)振蕩回路的電容很大，振蕩引起的操作過(guò)電壓立即下降，將不會(huì)再引起嚴(yán)重的操作過(guò)電壓。

（3）采用斷路器前置投切并聯(lián)電抗器的原理是直接降低了斷路器負(fù)載側(cè)電容，使得振蕩頻率很高，振蕩電壓很高，使其無(wú)法滿足斷路器開斷的條件，斷路器開斷失敗，直接轉(zhuǎn)為續(xù)流，因此操作過(guò)電壓消失。

（4）斷路器中性點(diǎn)投切，直接將負(fù)載側(cè)的振蕩回路斷開，無(wú)法產(chǎn)生振蕩回路，因此將無(wú)法產(chǎn)生操作過(guò)電壓。

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（本文編輯：方明霞）

下期要目

●600 MW超臨界機(jī)組鍋爐寬負(fù)荷脫硝技術(shù)的探索及實(shí)踐

●1 900 t/h鍋爐摻燒低水澳優(yōu)煤的可行性研究

●智能變電站繼電保護(hù)SV及GOOSE輸入自動(dòng)測(cè)試方法

●中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電容電流測(cè)試方法優(yōu)選研究

●±800 kV特高壓輸電線路耐張線夾未壓區(qū)鼓脹缺陷分析

●振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法在特高壓電抗器缺陷分析中的應(yīng)用

●600 MW超臨界機(jī)組干態(tài)深度調(diào)峰能力試驗(yàn)研究

●基于動(dòng)調(diào)典型安裝方式的爐膛負(fù)壓控制優(yōu)化

●基于先進(jìn)控制的燃煤機(jī)組超低排放指標(biāo)優(yōu)化控制技術(shù)

●超低排放改造后CEMS測(cè)量準(zhǔn)確性的提高

Study on Vacuum Circuit Breakers Switching with 35 kV Reactors

XIA Hongguang，LU Dandan
(State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 326021，China)

Due to faults from frequently occurred overvoltage caused by operation of vacuum circuit breaker switching with reactors，many countermeasures have been taken in Zhejiang Electric Power Company to control switching overvoltage owing to vacuum circuit breakers switching with shunt reactors.Based on the principle of overvoltage generation from current chopping，reignition and simultaneous three-phase switching-off during vacuum circuit breaker switching with shunt reactors，the paper conducts calculation and analysis in accordance to the adopted countermeasures and elaborates on the effectiveness of all measures on the basis of electric circuit theory.

vacuum circuit breaker；shunt reactor；switching overvoltage；circuit theory

10.19585/j.zjdl.201706006

1007-1881（2017）06-0026-04

TM472

B

2017-01-20

夏紅光（1971），男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)建設(shè)、規(guī)劃等方面研究工作。