開斷35 kV并聯(lián)電容器重燃過電壓的限制措施

姜建平，李猷民，王賀磊，武守遠(yuǎn)

(1.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250018)(2.北京中電泰瑞科技有限公司，北京 100096)

超、特高壓電網(wǎng)具有輸送潮流大、線路充電功率大的特點，但隨著運行方式的改變及電力負(fù)荷的波動，系統(tǒng)電壓常出現(xiàn)較大范圍波動。作為重要的無功調(diào)節(jié)手段，超、特高壓變電站一般在變壓器的低壓側(cè)裝設(shè)無功補償裝置，即并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器。在斷路器合閘投入并聯(lián)電容器組、電抗器組時，將會產(chǎn)生合閘涌流和過電壓；而在斷路器分閘時，由于斷路器的重燃(包括復(fù)燃和重?fù)舸?及電抗器的截流現(xiàn)象，也會產(chǎn)生幅值較高的過電壓[1-2]。上述過電壓可能造成電容器、電抗器絕緣的擊穿，此外在斷路器開斷過程以及關(guān)合中的預(yù)擊穿過程中，頻繁的觸頭燒蝕會影響其使用壽命，一旦超出壽命范圍，將更容易發(fā)生重燃現(xiàn)象。

早期用多油斷路器對無功補償裝置進(jìn)行投入、切除操作時，可能造成斷路器觸頭重燃多達(dá)六、七次之多；真空斷路器在執(zhí)行此類操作時也存在較為突出的重燃問題[3]。目前大量使用的SF6斷路器，長時間使用后其電氣性能會有所下降，同樣存在重燃的隱患[4-5]。采取有效措施避免斷路器發(fā)生重燃，限制重燃過電壓，對于保護(hù)設(shè)備安全具有重要意義。

根據(jù)相關(guān)研究成果可知，對于并聯(lián)電抗器的截流和重燃過電壓問題，可采用避雷器或阻容吸收裝置等進(jìn)行限制[6-9]。與無間隙金屬氧化物避雷器(metal oxide surge arresters, MOA)類似的金屬氧化物限壓器(metal oxide varistor, MOV)，在串聯(lián)補償電容的過電壓保護(hù)方面得到了較多的應(yīng)用[10]。此外，選相控制技術(shù)也廣泛應(yīng)用于無功補償裝置的投入和切除[11-13]，其中在開斷并聯(lián)電容器組時，可通過控制斷路器分閘時刻，確保適當(dāng)?shù)娜蓟r間以避免發(fā)生重燃現(xiàn)象。但該最佳燃弧時間獲取難度較大，且斷路器動作精度對其應(yīng)用效果影響較大。

考慮現(xiàn)有重燃過電壓限制措施的優(yōu)點和不足，本文在分析重燃過電壓特性的基礎(chǔ)上，研究兩種新型過電壓限制措施。

1 開斷35 kV并聯(lián)電容器的重燃過電壓

在開斷電容器組時，如不發(fā)生斷路器的重燃，則不會形成高幅值的過電壓；而當(dāng)電弧電流過零、電弧自行熄滅后，弧隙如發(fā)生重燃，將使電容器上出現(xiàn)較高的過電壓。大量文獻(xiàn)對該過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述[1]，這里僅給出研究結(jié)果。分別考慮三相斷路器正常開斷，以及一相開斷后其余一相或兩相不能正常開斷的情況，經(jīng)理論分析得到各相最大恢復(fù)電壓，見表1。

表1 不同情況下斷路器恢復(fù)電壓的最大值

值得注意的是，以上恢復(fù)電壓的計算僅考慮了發(fā)生第一次重燃之前的恢復(fù)電壓，并未考慮已發(fā)生重燃并再次滅弧后的恢復(fù)電壓。例如三相正常斷開后，首先開斷相發(fā)生重燃，將引起另外兩相恢復(fù)電壓的變化，其中一相將承受較高恢復(fù)電壓并可能發(fā)生重燃，即出現(xiàn)兩相同時重燃的情況。類似情況較為復(fù)雜，可通過仿真計算進(jìn)行分析?？紤]從某500 kV變電站的35 kV母線切除1組60 MVar的三相電容器組，仿真結(jié)果如圖1所示?？梢?，若A相先斷開，則在B、C相完成開斷后，A相將承受約2 pu的恢復(fù)電壓，若此時A相發(fā)生重?fù)舸瑒tC相承受的恢復(fù)電壓將增大至4 pu左右，可能發(fā)生兩相重?fù)舸活愃频亩啻沃負(fù)舸┛赡芤l(fā)逐級升高的過電壓現(xiàn)象。

圖1 三相正常開斷、兩相重燃過程仿真波形

對于并聯(lián)電容器投切時的過電壓，常用的限制措施為在電容高壓端與地之間裝設(shè)避雷器，此時多次重燃的仿真結(jié)果如圖2所示，可見電容器承受的過電壓可限制在4 pu的標(biāo)準(zhǔn)推薦值以下。然而，該措施對于斷路器恢復(fù)電壓的限制作用不大，為探索更有效的重?fù)舸╊A(yù)防措施，后文針對兩種新型限制措施開展研究，包括金屬氧化物限壓器和電力電子阻尼型限壓裝置。

2 金屬氧化物限壓器

與MOA類似， MOV也是利用非線性電阻的限壓作用，一方面可直接減輕對設(shè)備絕緣的沖擊，另一方面也能夠限制斷路器恢復(fù)電壓，降低重燃的發(fā)生概率。從保護(hù)電容器的目標(biāo)出發(fā)，將該限壓器并聯(lián)接于電容器兩極之間。研究中，MOV的電壓-電流特性(v-i)曲線沿用51 kV避雷器的電流序列，僅根據(jù)額定電壓對電壓序列進(jìn)行折算。實際上，其電流序列反映的是限壓閥片的并聯(lián)數(shù)，其值越大，v-i曲線限壓區(qū)間的斜率即等效電阻值越小，則限壓效果越好，而避雷器能耗也越大。

圖2 裝設(shè)避雷器條件下發(fā)生兩相重燃的仿真波形

2.1 過電壓限制作用分析

設(shè)定MOV額定電壓為42 kV，仿真分析3次重燃過程，相關(guān)波形如圖3所示，其中電容器極間最高過電壓為3.09 pu，電容器對地最高過電壓為3.09 pu；而無限壓措施時，最高過電壓分別為3.89 pu和3.38 pu，其波形如圖2所示。此外，斷路器完成開斷后，電容器的放電不會造成MOV的能耗持續(xù)性增大。在斷路器完成開斷(即0.536 s)時的能耗值為1 039 kJ，此后在約0.75 s時刻MOV電流衰減至0.1 A以下，相應(yīng)的能耗值為1 268 kJ，而在約1.3 s時刻MOV電流衰減至1 mA以下，此時的能耗值為1 274 kJ。因此，在選定合適的MOV額定電壓時，電容器的放電不會導(dǎo)致MOV能耗超限。

圖3 采用MOV(額定電壓42 kV)限制過電壓仿真波形

2.2 參數(shù)設(shè)計

在設(shè)計MOV參數(shù)時，首先需根據(jù)系統(tǒng)電壓等級和保護(hù)設(shè)備特點，選擇合適的持續(xù)運行電壓；其次應(yīng)根據(jù)限壓要求選擇額定電壓，這里一方面需合理選取閥片串聯(lián)數(shù)以得到合適的殘壓值，另一方面需合理選取閥片并聯(lián)數(shù)以增強限壓效果；最后應(yīng)校核其最大允許能耗值。

1)持續(xù)運行電壓的選取。

由標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》可知，電容器應(yīng)能承受1.1倍長期工頻過電壓，且應(yīng)計及串聯(lián)電抗器接入引起電容器運行電壓的升高。故電容器UC的運行電壓計算公式為[6]：

(1)

式中：US為電容器所連接的母線運行電壓，35 kV系統(tǒng)最高運行電壓取值40.5 kV；S為電容器每相的串聯(lián)段數(shù)；K為串抗率。根據(jù)式(1)計算得到的35 kV電容器極間最高運行電壓典型值，其有效值為27.7 kV，峰值為39.2 kV。由于MOV與電容器并聯(lián)，MOV持續(xù)運行電壓應(yīng)不低于電容器持續(xù)運行相電壓，即27.7 kV。

2)額定電壓的選取方法。

MOV額定電壓的取值與其1 mA直流參考電壓(也稱動作電壓)相關(guān)。為防止正常運行電壓下MOV頻繁動作，應(yīng)考慮一定裕度，即將1 mA直流參考電壓取值為電容器運行相電壓峰值(39.2 kV)的1.4倍，即54.9 kV。因此，對基于51 kV避雷器的1 mA直流參考電壓(73 kV)進(jìn)行折算，得到MOV額定電壓的最低取值為39 kV。

3)額定電壓及最大允許能耗的獲取。

考慮不同額定電壓，仿真分析MOV對過電壓的抑制作用，并計算相應(yīng)的能耗，從而確定最優(yōu)的額定電壓及最大允許能耗值。這里給出2～3次重燃條件下的結(jié)果，如圖4所示，研究中未考慮恢復(fù)電壓的不同對于重燃發(fā)生次數(shù)的影響。

由圖4可見，兩種工況下的過電壓限制效果無明顯差別，但重燃次數(shù)越多，MOV的能耗越大。此外，表2給出了2次重燃過程的過電壓及MOV能耗。表中重燃類型A為三相正常開斷時兩相發(fā)生重燃，類型B為一相拒斷時單相發(fā)生重燃，類型C為兩相拒斷時單相發(fā)生重燃。加粗?jǐn)?shù)值為綜合各種重燃情況下的最大過電壓及能耗。

如考慮斷路器發(fā)生2次以內(nèi)的重燃，采用表中所列額定電壓的MOV，均可將電容器的相對地和極間過電壓限制在4 pu以內(nèi)；采用額定電壓低于36 kV的MOV，可將電容器的相對地和極間過電壓限制在3 pu以內(nèi)，恢復(fù)電壓限制在5.55 pu以內(nèi)；采用額定電壓高于33 kV的MOV，計算的最大能耗可限制在1.4 MJ以內(nèi)。

圖4 不同MOV額定電壓下的重燃過電壓

3 電力電子阻尼限壓器

這里提出的電力電子阻尼限壓器(簡稱阻尼限壓器)，同樣是并聯(lián)接于電容器兩極間，其主要原理是在斷路器分閘后，利用該并聯(lián)支路對電容器進(jìn)行快速放電，從而限制電容器過電壓及斷路器恢復(fù)電壓，降低重燃的發(fā)生概率。其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，由于電力電子器件工作于低電壓等級，需采用變壓器進(jìn)行連接；其二次側(cè)為阻尼回路，包含阻尼電阻R1、阻尼電感L1(非必需)。正常運行時其二次側(cè)開路；而在開斷并聯(lián)電容器組時，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，將阻尼回路接入電容器兩端，對其進(jìn)行快速放電。為提高放電速度，需采用低漏抗率的變壓器，在電抗值不足時再考慮增加阻尼電感L1。該限壓器在正常運行時功耗很小，阻尼回路僅需要較小的容量，即可實現(xiàn)限制重燃過電壓的作用。

表2 不同額定電壓MOV的限壓效果及能耗對比

圖5 電力電子阻尼限壓器的拓?fù)涫疽鈭D

3.1 過電壓限制作用分析

首先仿真分析阻尼限壓器對重燃過電壓的限制作用。限壓器的變壓器容量為3 MVA，變比為28∶1，漏抗率為6%，阻尼電阻取值為0.013 Ω，未考慮增加阻尼電感。假定發(fā)生3次重燃現(xiàn)象，仿真結(jié)果如圖6所示。其中電容器極間最高過電壓為1.29 pu，電容器對地最高過電壓為1.40 pu；而不采用限壓措施時最高過電壓分別為3.89 pu和3.38 pu。實際上在該限壓器作用下，發(fā)生后續(xù)2次重燃的概率很小。

圖6 采用阻尼限壓器的仿真波形

3.2 參數(shù)設(shè)計

圖5所示阻尼電阻的取值對過電壓抑制效果具有較大影響，這里對不同阻尼電阻取值下的過電壓水平進(jìn)行計算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同阻尼電阻參數(shù)下計算的重燃過電壓

由圖可知，阻尼電阻越小，電容電壓泄放速度越快，過電壓限制效果越好，但晶閘管流過的電流則越大。應(yīng)綜合考慮過電壓限制效果和晶閘管通流限值，以確定合適的阻尼電阻值。

4 結(jié)論

本文針對35 kV并聯(lián)電容器開斷時的重燃過電壓問題，研究了并聯(lián)MOV型限壓器和電力電子阻尼型限壓器兩種過電壓限制措施，主要結(jié)論包括：

1)現(xiàn)有避雷器可將電容器承受的過電壓限制在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍，但對斷路器恢復(fù)電壓的限制作用不大，因而在預(yù)防重?fù)舸┓矫嫘Ч邢蕖?/p>

2)在電容器極間加裝并聯(lián)MOV可有效限制電容器極間過電壓、避免發(fā)生多次重燃現(xiàn)象。應(yīng)結(jié)合限壓效果和MOV能耗兩方面要求，合理設(shè)計MOV參數(shù)。

3)在電容器兩端并聯(lián)電力電子阻尼限壓器，通過快速泄放電容器電壓，可有效降低電容器的過電壓和斷路器的恢復(fù)電壓，既直接保護(hù)了相關(guān)設(shè)備，又降低了重燃的概率。在選取限壓器參數(shù)時，應(yīng)綜合考慮過電壓限制效果和電力電子器件的通流限值。