并聯(lián)電抗器合閘過程分析及影響研究

陳凱捷

(中國船舶集團公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

1 引 言

熔斷器廣泛應(yīng)用于高低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及用電設(shè)備中，作為短路和過電流保護器，是應(yīng)用最普遍的保護器件之一[1]。一般熔斷器熔體的額定電流按被保護設(shè)備的負荷電流選擇，熔斷器額定電流應(yīng)略大于負荷電流，與主電器配合確定，主要根據(jù)回路電壓等級及額定電流選型[2]。

某試驗中，為發(fā)電機組測試運行選配了多臺高壓干式負載。其中，每個并聯(lián)的高壓干式電抗負載單獨通過接觸器控制投運，接觸器前端均配有限流熔斷器作為保護，選型按照暫態(tài)特性曲線。在投運時發(fā)現(xiàn)，對單個干式電抗負載投運時，投入運行穩(wěn)定，無異常。但是，在測試發(fā)電機組瞬態(tài)負載突加承受能力時，多臺干式電抗負載的接觸器同時發(fā)出投運合閘指令，短時間內(nèi)出現(xiàn)限流斷路器大批量保護動作，動作時間均小于2s。共10臺干式電抗負載，每臺負載3個熔斷器，共30個熔斷器，其中動作的有17個。

本文分析了干式電抗負載同時并聯(lián)運行，多臺電抗器合閘時，回路中電壓電流的瞬態(tài)變化。與單臺電抗器負載時對比，研究其對熔斷器的影響，同時比較了熔斷器特性曲線，運用ETAP建立了并聯(lián)電抗器合閘暫態(tài)模型，并進行了仿真計算和結(jié)果分析。

2 并聯(lián)電抗器合閘過程分析

2.1 熔斷器特性

當(dāng)電路中的電流超過規(guī)定值一段時間后，熔斷器因自身發(fā)熱達一定溫度，使熔體熔化，從而使電路斷開。該特性為安秒特性，為動作電流和動作時間特性，也叫反時延特性[3]，即：過載電流小時，熔斷時間長；過載電流大時，熔斷時間短(如圖1所示)。

圖1 熔斷器安秒特性曲線

從焦耳定律可知，Q=I2·R·t。在串聯(lián)回路里，熔斷器的電阻值不變，發(fā)熱量與電流的平方成正比，與發(fā)熱時間t成正比。也就是說，當(dāng)電流較大時，熔體熔斷所需用的時間較短；而電流較小時，熔體熔斷所需用的時間較長。在小于特定電流時，熔體熱量積累的速度小于熱量擴散的速度，溫度不會上升到熔體熔點，熔斷器就不會熔斷，此為熔斷器的最小熔斷電流。所以，在一定過載電流范圍內(nèi)，當(dāng)電流及時恢復(fù)正常時，熱量并未累積至使熔體到達熔點，故熔斷器不會熔斷，可繼續(xù)使用。

一般定義熔斷器熔體的最小熔斷電流與熔體的額定電流之比為最小熔化系數(shù)，常用熔斷器熔體的熔化系數(shù)大于1.25，也就是說，額定電流為10A的熔體在電流12.5A以下時不會熔斷。

從安秒特性可以看出，熔斷器特性與電壓無關(guān)[4]。在經(jīng)過最小熔斷電流值時，熔斷器動作時間將趨于無窮大。

在上述實際試驗情況下發(fā)生熔斷器動作時，限流熔斷器動作時間均小于2s。因此，考慮是瞬時電流超出熔斷器最小熔斷電流，導(dǎo)致短時間大范圍熔斷器動作。

限流熔斷器動作的原因，一般考慮為過電流。但在以上情況下，單臺干式電抗負載與多臺并聯(lián)干式電抗負載相比，考慮到實際使用時，合閘暫態(tài)過程中各支路接觸器合閘時間因通信和各元器件的細微差別，合閘時間不會在同一瞬間。因此，應(yīng)該考慮非理想情況下，多臺并聯(lián)干式電抗負載合閘的分散性造成的影響，導(dǎo)致瞬間涌流時間超出，導(dǎo)致熔斷器動作。

2.2 電抗器合閘涌流

電抗器投入系統(tǒng)運行的瞬間，因為電感線圈電流不能突變，就要承受合閘涌流的沖擊[5]。在發(fā)生合閘涌流時電壓降低，電流會超過額定值，然后慢慢恢復(fù)成正常運行狀態(tài)[6]。

而在該試驗中，多臺并聯(lián)電抗器合閘時，不同斷路器合閘時間具有分散性，在合閘瞬間，出現(xiàn)涌流的時間不會完全一致，加長了熔斷器超出最小熔斷電流的時間，從而發(fā)生熔斷。

3 ETAP仿真建模

為對該分析進行驗證，基于該試驗中遇到的現(xiàn)象，在ETAP軟件中搭建接觸器合閘并聯(lián)電抗器組的仿真電路模型，如圖2所示。

圖2 接觸器合閘并聯(lián)電抗器組的仿真電路模型

圖2中所用仿真高壓干式電抗容量為0.4MVA，額定電壓為6kV，額定電流為38A。先進行了單個電抗器合閘的仿真，并繪制了支路中電壓電流的瞬態(tài)變化。作為對比，也做了并聯(lián)電抗器的合閘瞬態(tài)仿真，同樣繪制了支路中同一點的瞬態(tài)電壓電流變化。

同時，考慮到實際使用中不同支路斷路器合閘不可能完全同時動作，因此將6個支路拆分，每隔20ms對一支路合閘，依次進行，并繪制出結(jié)果圖像。

4 仿真結(jié)果

在ETAP軟件的暫態(tài)分析模塊中進行仿真，并輸出同一支路的瞬態(tài)變化圖形。在單個電抗器合閘時，電抗器端支路電壓電流變化如圖3、圖4所示。而在并聯(lián)電抗器合閘時，總?cè)萘?.4MVar，單個電抗器參數(shù)均一致，支路電抗器上得到的電壓電流變化如圖5、圖6所示?？梢钥闯?，支路內(nèi)電流隨著并聯(lián)電抗器一次合閘的總?cè)萘可仙黄鹕仙恕?/p>

圖3 合閘回路瞬態(tài)電壓變化

圖4 合閘回路瞬態(tài)電流變化

圖5 并聯(lián)電抗器合閘支路瞬態(tài)電壓變化

圖6 并聯(lián)電抗器合閘支路瞬態(tài)電流變化

同時，不同斷路器合閘具有分散性，在合閘瞬間，出現(xiàn)的涌流時間不會完全一致。假設(shè)因通信延遲及各元器件特性輕微差別，斷路器合閘間隔20ms。在上述模型中，將合閘時間分散為每0.02s一個回路投入運行，仿真圖形如圖7所示。

圖7 分散性合閘并聯(lián)電抗器瞬態(tài)電流變化

從以上仿真結(jié)果可以看出，并聯(lián)電抗器合閘時，雖然支路中電抗器特性沒有變化，但是仍然比單個電抗器合閘時回路涌流要大。斷路器合閘時間的分散性會增大支路中涌流的峰值和時間。同時，作用于熔斷器動作的2個條件，導(dǎo)致實際使用并聯(lián)電抗器瞬間突加時熔斷器的誤動作。

5 結(jié) 語

為探明并聯(lián)電抗器合閘時和支路電抗器合閘時瞬態(tài)變化的不同，使用ETAP軟件建模并模擬了并聯(lián)電抗器合閘暫態(tài)過程，并對結(jié)果進行了分析，找出了并聯(lián)電抗器合閘時熔斷器動作的原因。

仿真結(jié)果表明，雖然支路中干式電抗器并無變化，但是并聯(lián)電抗器合閘時支路中暫態(tài)過程涌流隨整體電抗器容量上升而上升。實際使用時，斷路器合閘分散性使電流峰值更高，維持在過流狀態(tài)下的持續(xù)時間更長，導(dǎo)致能在單獨干式電抗中作為保護的熔斷器發(fā)生動作，使整體出現(xiàn)故障。

在并聯(lián)電抗器條件下，支路中用作保護的熔斷器不應(yīng)根據(jù)單個電抗器來選型，而應(yīng)全面考慮回路中總體容量，這可作為以后設(shè)計工作的參考。至于為何出現(xiàn)同支路下，元器件特性一致時并聯(lián)電抗器比單個電抗器涌流更大，其原因還有待進一步的研究。