真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器的仿真分析

余 豐，鄭升訊，陳巧勇，徐建文，鮑巧敏

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器的仿真分析

余 豐，鄭升訊，陳巧勇，徐建文，鮑巧敏

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

近年來，隨著真空斷路器在電力系統(tǒng)的普及應(yīng)用，與之相關(guān)的系統(tǒng)過電壓事故也時(shí)有發(fā)生，特別是在開斷感性負(fù)載時(shí)更為常見。為了能對過電壓的發(fā)展過程進(jìn)行更為深入地研究，應(yīng)用EMTP對某變電站真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器過程中產(chǎn)生的操作過電壓進(jìn)行仿真分析。通過建立電弧電流過零判斷、重燃判斷、真空開關(guān)介質(zhì)動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度曲線等模型，模擬真空斷路器開斷過程中的重燃過程。仿真結(jié)果表明，真空斷路器開斷感性負(fù)載時(shí)，一旦發(fā)生三相電弧的反復(fù)重燃，操作過電壓峰值會(huì)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)額定運(yùn)行電壓，對系統(tǒng)絕緣帶來嚴(yán)重的安全隱患。

真空斷路器；操作過電壓；并聯(lián)電抗器；EMTP

0 引言

真空斷路器具有開斷容量大、滅弧能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在電網(wǎng)低壓側(cè)得到了廣泛的應(yīng)用。然而統(tǒng)計(jì)顯示，近幾年電網(wǎng)運(yùn)行中，在操作真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器時(shí)，多次發(fā)生絕緣擊穿事故。目前國內(nèi)外學(xué)者研究認(rèn)為，真空斷路器在開斷感性負(fù)載時(shí)，易發(fā)生電弧的反復(fù)重燃，產(chǎn)生極高的操作過電壓，使系統(tǒng)絕緣薄弱處擊穿。

由于開斷過程中的過電壓發(fā)展過程復(fù)雜，影響因素多，試驗(yàn)條件苛刻，因此計(jì)算機(jī)仿真分析被廣泛應(yīng)用于過電壓研究中。20世紀(jì)90年代就有國外學(xué)者使用可控電阻模型來模擬真空斷路器開斷過程中的截流與重燃現(xiàn)象，后經(jīng)HELMER.J等人的發(fā)展建立了更加完備的斷路器模型[1-4]。國內(nèi)亦有許多學(xué)者對此作了大量的研究，建立了考慮斷路器動(dòng)態(tài)絕緣特性、相間耦合、截流能力等因素的仿真模型[5-6]。

1 過電壓產(chǎn)生機(jī)理

真空斷路器在開斷感性負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)狀態(tài)的變化導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部電容和電感間的電磁能量相互轉(zhuǎn)換，造成振蕩，產(chǎn)生操作過電壓[7]。當(dāng)電弧電流小，斷路器滅弧能力強(qiáng)，強(qiáng)制熄弧時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生截流過電壓。此外真空斷路器開斷過程中，觸頭兩端的恢復(fù)電壓為母線側(cè)工頻電壓和負(fù)載側(cè)高頻振蕩電壓疊加形成，若斷路器介質(zhì)動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度不足會(huì)導(dǎo)致斷路器再次擊穿；若上述過程在開斷過程中反復(fù)發(fā)生，會(huì)在斷路器觸頭兩端疊加產(chǎn)生極高的恢復(fù)過電壓，即重燃過電壓。同時(shí)，由于斷路器開斷過程中三相間的耦合作用，首相熄弧過程中產(chǎn)生的高頻電流會(huì)通過耦合作用在其他兩相產(chǎn)生高頻電流，導(dǎo)致另兩相產(chǎn)生比首相截流過電壓更高的操作過電壓[8]。

2 系統(tǒng)模型建立

針對某220 kV變電站35 kV側(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用EMTP（電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序）對系統(tǒng)操作過程中的過電壓進(jìn)行了仿真分析。EMTP軟件于1968年由加拿大H.W.Dommel教授首先創(chuàng)立，后經(jīng)眾多研發(fā)人員的努力，逐步完善，具有規(guī)模大、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)仿真計(jì)算。

該站在采用真空斷路器開斷35 kV 1號并聯(lián)電抗器的過程中，35 kV母線側(cè)2號接地所用變壓器（以下簡稱所用變）發(fā)生絕緣擊穿故障。故障前系統(tǒng)運(yùn)行方式為：

（1）1號主變壓器（簡稱主變）送35 kVⅠ段、Ⅱ段母線，35 kV母分?jǐn)嗦菲鏖]合。

（2）35 kV 1號、2號、3號、4號電容器熱備用，35 kV備用間隔冷備用。

（3）35 kV 1號、2號電抗器運(yùn)行。

（4）35 kV 1號、2號接地所用變運(yùn)行（發(fā)生故障時(shí)已運(yùn)行1.5 h）。

系統(tǒng)簡化接線圖與EMTP系統(tǒng)仿真圖如圖1、圖2所示。

圖1 系統(tǒng)簡化接線

仿真電路元件模型參照該站參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。1號主變35 kV側(cè)電源的短路阻抗根據(jù)廠家試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算為0.375 mH。35 kV側(cè)接地所用變型號DKSC-1500/400/37，等值參數(shù)根據(jù)廠家提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算。油浸式并聯(lián)電抗器型號BKS-10000/35，星型連接，中性點(diǎn)不接地，各相電感值均為444.2 mH。電纜參數(shù)根據(jù)資料近似選取，電纜的單位長度電感約為0.4μH/m。系統(tǒng)雜散電容、變壓器開口電容等參數(shù)均參照文獻(xiàn)[9-11]近似選取。該系統(tǒng)仿真未考慮避雷器的影響。

圖2 EMTP系統(tǒng)仿真

3 真空斷路器EMTP模型

此處真空斷路器的仿真模型參考了現(xiàn)有國內(nèi)外學(xué)者的研究成果[10，12-15]，主要包含電弧電流過零判斷模塊、開關(guān)介質(zhì)動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度模塊、電弧重燃判斷模塊、開斷信號輸出等模塊，見圖3。真空斷路器采用TACS控制斷路器（SW-TACS），其余邏輯控制模塊均采用TACS元件搭建。

圖3 真空斷路器模型

3.1 電弧電流過零判斷模塊

真空斷路器具有較強(qiáng)的熄弧能力，能在電流過零點(diǎn)熄弧。基于EMTP采用數(shù)值計(jì)算方法，其計(jì)算步長Δt遠(yuǎn)小于工頻電流的周期；因此可以通過判斷t時(shí)刻以及t-Δt時(shí)刻電流的正負(fù)符號變化情況來判斷該時(shí)刻電流是否過零點(diǎn)[10]。首先將斷路器的電流信號通過TACS元件取出，通過延時(shí)器（TACS：DEVICE53）將電流信號延遲Δt后輸出，再與t時(shí)刻的電流共同通過比較器（TACS：DEVICE60）。 若兩信號相乘結(jié)果為負(fù)值， it×it-Δt〈0，則判斷在這段時(shí)間內(nèi)，電流過零，電弧熄滅，該t時(shí)刻即為斷路器的開斷時(shí)刻[10]。電流過零判斷模塊邏輯如圖4所示。

圖4 電流過零判斷模塊

3.2 動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度及電弧重燃判斷模塊

真空斷路器開斷過程中，隨著斷路器兩觸頭間距離的增加，觸頭間的絕緣強(qiáng)度也不斷增大，稱為斷路器介質(zhì)動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度。很多仿真分析將斷路器動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度與時(shí)間取近似直線關(guān)系，但是實(shí)際開斷過程中受斷路器工藝等因素影響，它們并非完全呈線性關(guān)系。此處介質(zhì)動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度曲線選取由試驗(yàn)數(shù)據(jù)所擬合的公式。由于斷路器開斷過程中恢復(fù)過電壓波形的幅值受到斷路器絕緣特性的限制，因此恢復(fù)電壓波形的上部包絡(luò)線即可認(rèn)為是斷路器的動(dòng)態(tài)絕緣特性曲線。斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間從電流第一次過零熄弧時(shí)刻算起。將試驗(yàn)得到的恢復(fù)電壓波形上部包絡(luò)線擬合即可得到斷路器動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度公式[9]。動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度ud（kV）與斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間td（ms）擬合公式為式1，其關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 介質(zhì)動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度與分?jǐn)鄷r(shí)間關(guān)系

電弧開斷的同時(shí)，觸頭間的恢復(fù)電壓亦會(huì)發(fā)生振蕩變化。如果恢復(fù)電壓大于觸頭間動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度，則判定真空斷路器發(fā)生了電弧重燃。電弧重燃判斷模塊的流程如圖6所示。

圖6 真空斷路器的電弧重燃判斷流程

4 仿真結(jié)果分析

圖7 真空斷路器斷口間恢復(fù)過電壓

根據(jù)斷口恢復(fù)電壓波形顯示，見圖7，采用真空斷路器開斷35 kV側(cè)1號并聯(lián)電抗器過程中，斷路器內(nèi)部發(fā)生了三相電弧的反復(fù)重燃，隨著重燃次數(shù)和時(shí)間的增加，觸頭兩端的恢復(fù)過電壓不斷疊加升高，且存在較高頻分量。三相電弧重燃時(shí)間分布約在5.5～7.5 ms，斷路器觸頭兩側(cè)恢復(fù)過電壓峰值發(fā)生在B相可達(dá)到約160 kV。圖8為開斷過程中電弧電流波形，每次電弧的重燃均會(huì)在回路中產(chǎn)生高頻電流，且隨著重燃次數(shù)的增加，電弧電流亦會(huì)逐漸增大，峰值同樣出現(xiàn)在B相，可達(dá)約38 kA。

圖8 三相電弧電流波形

斷路器的電抗器側(cè)過電壓波形表明（見圖9），并聯(lián)電抗器在開斷過程中的過電壓峰值會(huì)升至約130 kV，對電抗器絕緣造成沖擊。

電弧重燃過程中，系統(tǒng)母線側(cè)的電壓亦會(huì)發(fā)生較大幅度的高頻振蕩，峰值近70 kV（見圖10），遠(yuǎn)超系統(tǒng)額定電壓，對母線側(cè)設(shè)備運(yùn)行造成安全隱患。直至電弧重燃過程結(jié)束，系統(tǒng)電壓才逐步穩(wěn)定。在此過程中，母線側(cè)的設(shè)備經(jīng)歷了過電壓的考驗(yàn)，這導(dǎo)致實(shí)際操作中，該站系統(tǒng)絕緣薄弱處即2號接地所用變進(jìn)線位置，發(fā)生絕緣擊穿。

圖9 電抗器側(cè)三相過電壓

仿真結(jié)果表明，真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器過程中可能發(fā)生三相電弧重燃，并產(chǎn)生較高的過電壓，因此建議在真空斷路器選型時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對分閘特性及重燃特性的考核。根據(jù)目前研究現(xiàn)狀，主要可通過2種方式消除開斷并聯(lián)電抗器時(shí)產(chǎn)生的操作過電壓：

（1）通過加裝阻容吸收器，末端開斷并抗等改變電氣回路的方式來使操作過電壓盡量減小。但是由于操作過電壓存在較大的高頻分量，其受變電站線路參數(shù)、變壓器參數(shù)、系統(tǒng)雜散電容等分布參數(shù)影響較大，因此改變電氣回路的方式對于不同的變電站效果不同，很難實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的解決方案；且增加設(shè)備會(huì)使系統(tǒng)更加復(fù)雜，可能帶來其他的負(fù)面影響。

圖10 母線側(cè)三相電壓

（2）使用滅弧性能更強(qiáng)、動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度特性更好的高性能斷路器，以及具有相控分閘技術(shù)的斷路器等方式來抑制并抗開斷過程中產(chǎn)生的操作過電壓。該方式重在提高斷路器的開斷特性，從源頭上消除并抗開斷過程中電弧重燃現(xiàn)象發(fā)生，避免操作過電壓的產(chǎn)生，值得進(jìn)一步的發(fā)展研究。

5 結(jié)語

基于EMTP軟件建立了真空斷路器的仿真模型，并針對實(shí)際事故案例進(jìn)行了操作過電壓的仿真分析。該模型考慮了真空斷路器開斷過程中介質(zhì)動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度及三相間電路的相互影響，定量反映了開斷過程中重燃過電壓的發(fā)展過程。仿真結(jié)果對于斷路器的技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等具有一定的指導(dǎo)意義，對實(shí)際生產(chǎn)中斷路器的選型及絕緣配合的設(shè)置也有一定的幫助。

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2017-09-15

余 豐（1986），男，工程師，主要研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)及帶電檢測技術(shù)。

（本文編輯：陸 瑩）

Simulation Analysis on Shunt Reactors Breaking with Vacuum Breaker

YU Feng， ZHENGShengxun， CHEN Qiaoyong， XU Jianwen， BAO Qiaomin
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009， China）

With the wide application of vacuum breakers in power system in recent years，the consequential system overvoltage accidents also happen frequently，especially when the inductive load is switched.In order to further study the development of overvoltage，EMTP is used to simulate the operating overvoltage in substation during shunt reactors breaking with vacuum breaker.By establishing models of arc current zero-crossing,arc reignition and dielectric strength characteristics，the arc reignition during the opening process of vacuum switch is simulated.Simulation results show that，if the arc reignition occurs when the inductive load is cut off by the vacuum switch，peak of operating overvoltage is much higher than rated operating voltage of the system，which brings serious security hazards to system insulation.

vacuum breaker； operating overvoltage； shunt reactor； EMTP

10.19585/j.zjdl.201710010

1007-1881（2017）10-0050-05

TM743

B