真空斷路器預(yù)擊穿特性對(duì)選相關(guān)合電容器組抑制涌流的影響*

彭 晶, 鄧云坤, 王 科, 黃金財(cái), 耿 云, 閆 靜

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院, 云南 昆明 650217;2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備與電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710049)

0 引 言

電力系統(tǒng)為即時(shí)平衡系統(tǒng),因容性負(fù)載與感性負(fù)載的存在,大量的無(wú)功功率會(huì)產(chǎn)生于系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,而無(wú)功功率會(huì)使得系統(tǒng)電壓發(fā)生偏離,產(chǎn)生損耗,為保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行,必須進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償[1]。根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),每發(fā)出1 kW 的有功功率,需要有1.2～1.4 kvar 的無(wú)功功率才能維持電力系統(tǒng)的正常工作電壓[2-3]。投切電容器組是產(chǎn)生無(wú)功功率簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的方法,廣泛應(yīng)用于10 kV、35 kV 和63 kV 電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)中。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,因電網(wǎng)負(fù)載情況波動(dòng)頻繁,為提高電網(wǎng)功率因數(shù)、減少諧波、穩(wěn)定電壓和降低供配電的線(xiàn)路損耗,電容器組將會(huì)被頻繁地投入和切除。

真空斷路器具有以下4個(gè)優(yōu)良特性[4-5]:① 具有上萬(wàn)次的機(jī)械動(dòng)作壽命;② 真空滅弧室作為核心部件,其運(yùn)行過(guò)程中觸頭無(wú)需維護(hù);③ 真空滅弧室受環(huán)境變化影響小;④ 真空斷路器本身不會(huì)引發(fā)火災(zāi)與爆炸,對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。因此,真空斷路器特別適合于電力系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域。然而在實(shí)驗(yàn)研究和電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況中發(fā)現(xiàn),真空斷路器投切電容器組時(shí),尤其為背靠背電容器組,會(huì)出現(xiàn)較高概率的重?fù)舸┈F(xiàn)象,并且隨著無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高,真空斷路器容性電流開(kāi)斷弧后重?fù)舸└怕视忻黠@上升的趨勢(shì)[6]。在真空斷路器關(guān)/合電容器組過(guò)程中,尤其背靠背電容器組,會(huì)產(chǎn)生幅值較高的高頻涌流,其預(yù)擊穿電弧會(huì)局部燒蝕加熱觸頭表面,使得動(dòng)靜觸頭閉合時(shí)發(fā)生熔焊[7]。同時(shí)高頻涌流的引入,會(huì)在電容器組兩端產(chǎn)生過(guò)電壓,若不加以抑制,有擊穿損壞電容器組的危險(xiǎn)[8-9]。緊接著在真空斷路器分閘過(guò)程中,當(dāng)動(dòng)靜觸頭打開(kāi)時(shí)熔焊區(qū)域會(huì)被拉開(kāi)并發(fā)生破裂,最終在觸頭表面形成突起,從而降低真空斷路器的絕緣強(qiáng)度,而開(kāi)斷時(shí)幾百安的工頻電流只會(huì)局部老煉清除這些絕緣弱點(diǎn)。當(dāng)容性開(kāi)斷電流過(guò)零后,真空斷路器動(dòng)靜觸頭兩端會(huì)承受含有直流分量的容性恢復(fù)電壓,開(kāi)斷單相電容器組或三相負(fù)載中性點(diǎn)接地電容器組時(shí)恢復(fù)電壓峰值會(huì)達(dá)到2 倍系統(tǒng)電壓幅值,開(kāi)斷三相負(fù)載中性點(diǎn)不接地電容器組時(shí)首開(kāi)極恢復(fù)電壓峰值會(huì)達(dá)到2.5 倍系統(tǒng)電壓幅值。在該恢復(fù)電壓的作用下,真空斷路器可能會(huì)發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象,而且重?fù)舸┥踔猎陂_(kāi)斷電流過(guò)零百毫秒后仍會(huì)發(fā)生,即延時(shí)重?fù)舸┈F(xiàn)象[10]。

選相控制真空斷路器是關(guān)/合電容器組時(shí)減小涌流的有效措施。為了限制合閘過(guò)程中的涌流和過(guò)電壓幅值,每相的最佳合閘時(shí)間是真空斷路器在電壓過(guò)零點(diǎn)合閘。由于電壓在過(guò)零點(diǎn)附近的變化率較高,相控合閘對(duì)真空斷路器及其控制系統(tǒng)的要求比較嚴(yán)格[11]。真空斷路器在合閘過(guò)程中必須具有較高的絕緣強(qiáng)度,特別是在較高的系統(tǒng)電壓下,以確保在合閘過(guò)程中真空斷路器觸頭接觸之前沒(méi)有明顯的預(yù)擊穿過(guò)程。用于相控的真空斷路器及其控制系統(tǒng)必須有能力保持合閘精度在±1 ms,具有這種精度的相控裝置才能有效限制涌流的產(chǎn)生[12-14]。

本文的目標(biāo)是實(shí)驗(yàn)及仿真研究杯狀縱磁觸頭和卍字形橫磁觸頭真空斷路器關(guān)/合電容器組時(shí)預(yù)擊穿時(shí)間及其分散性對(duì)選相關(guān)合電容器組抑制涌流的影響。

1 真空斷路器關(guān)/合電容器組實(shí)驗(yàn)設(shè)置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

真空斷路器容性合閘實(shí)驗(yàn)回路原理圖如圖1所示。

圖1 真空斷路器容性合閘實(shí)驗(yàn)回路原理圖

在實(shí)驗(yàn)中,最初電容器組C1通過(guò)單獨(dú)的充電系統(tǒng)(圖1中未顯示)充電到電壓Us。當(dāng)開(kāi)關(guān)SWinrush一關(guān)閉,電壓Us就被施加到真空斷路器上,此時(shí)真空斷路器關(guān)合。在關(guān)合過(guò)程中,由于L1和C1的振蕩,涌流流過(guò)真空斷路器。實(shí)驗(yàn)回路中電阻的存在,使得涌流由于阻尼振蕩最終降為零。容性合閘操作過(guò)程中的典型涌流波形如圖2所示。圖2中涌流的幅值為5 kA,頻率為4 250 Hz。

圖2 容性合閘操作過(guò)程中的典型涌流波形

實(shí)驗(yàn)用真空斷路器為單斷口真空斷路器,分別為杯狀縱磁觸頭真空斷路器和卍字形橫磁觸頭真空斷路器。觸頭材料均為CuCr30。實(shí)驗(yàn)前,真空滅弧室觸頭均被老練過(guò)。容性預(yù)擊穿實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。共進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2分別測(cè)量了杯狀縱磁觸頭真空斷路器和卍字形橫磁觸頭真空斷路器在容性預(yù)擊穿過(guò)程中的預(yù)擊穿時(shí)間及其分散性。預(yù)擊穿時(shí)間為真空斷路器在關(guān)合過(guò)程中從預(yù)擊穿發(fā)生到觸頭閉合的時(shí)間差。

表1 容性預(yù)擊穿實(shí)驗(yàn)方案

本文得到了實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中真空斷路器容性預(yù)擊穿時(shí)間t的累積概率分布。該分布表示,當(dāng)距離觸頭閉合前時(shí)間小于t時(shí),真空斷路器發(fā)生預(yù)擊穿的概率。預(yù)擊穿時(shí)間累積概率分布的計(jì)算采用了威布爾分布進(jìn)行擬合,其計(jì)算式為

(1)

式中:η——形狀參數(shù),η>0;

b——預(yù)擊穿時(shí)間t的特征值,b>0。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出η和b。

BIM技術(shù)是Building Information Modeling的簡(jiǎn)稱(chēng)，在對(duì)建筑的設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。BIM技術(shù)是建筑信息模型，該種模型的建設(shè)在近幾年的建筑行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，通過(guò)以三維數(shù)字技術(shù)作為建設(shè)的基礎(chǔ)，可以模擬建筑物的信息，掌握建筑物實(shí)際的操作和建設(shè)。BIM技術(shù)可以將建筑的所有信息通過(guò)數(shù)字表達(dá)的方式進(jìn)行模擬，并建立建筑的三維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑信息的統(tǒng)計(jì)和分析。

實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中真空斷路器容性預(yù)擊穿時(shí)間的累積概率分布如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中真空斷路器容性預(yù)擊穿時(shí)間的累積概率分布

另一個(gè)研究預(yù)擊穿時(shí)間的重要參數(shù)是預(yù)擊穿時(shí)間分散性σ。利用預(yù)擊穿時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差可以計(jì)算出預(yù)擊穿時(shí)間分散性,其計(jì)算式為

(2)

式中:N——實(shí)驗(yàn)次數(shù);

ti——第i次實(shí)驗(yàn)時(shí)的預(yù)擊穿時(shí)間。

根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算,實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中10%、50%和90%預(yù)擊穿時(shí)間及其分散性如表2所示。其中50%預(yù)擊穿時(shí)間t50最為重要,因?yàn)樵撝悼梢员碚黝A(yù)擊穿時(shí)間的平均值。表2的最后一列顯示的是實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的預(yù)擊穿時(shí)間分散性。

表2 實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中10%、50%和90%預(yù)擊穿時(shí)間及其分散性

由表2可知,杯狀縱磁觸頭真空斷路器50%容性合閘預(yù)擊穿時(shí)間為1.41 ms,預(yù)擊穿時(shí)間的分散性為0.50 ms。卍字形橫磁觸頭真空斷路器50%容性合閘預(yù)擊穿時(shí)間為0.63 ms,預(yù)擊穿時(shí)間的分散性為0.30 ms,均顯著低于杯裝縱磁觸頭真空斷路器。

2 真空斷路器選相關(guān)合電容器組仿真計(jì)算及結(jié)果分析

本文根據(jù)實(shí)際40.5 kV真空斷路器投切電容器組實(shí)驗(yàn)回路參數(shù)搭建仿真回路,用以研究真空斷路器預(yù)擊穿時(shí)間及其分散性對(duì)選相關(guān)合電容器組抑制涌流的影響。40.5 kV真空斷路器投切背靠背電容器組仿真回路如圖4所示。

圖4 40.5 kV真空斷路器投切背靠背電容器組仿真回路

圖5 在電壓峰值處關(guān)合真空斷路器的電壓、電流波形

在真空斷路器選相合閘背靠背電容器組時(shí),理想狀況是在電壓過(guò)零點(diǎn)關(guān)合,這時(shí)電容器組兩端的電壓為0,流過(guò)斷路器的涌流即為0,可以有效抑制預(yù)擊穿過(guò)程中的涌流對(duì)真空滅弧室觸頭表面的燒蝕,從而減小容性開(kāi)斷過(guò)程中重?fù)舸┑漠a(chǎn)生[15-16]。但是在實(shí)際操作中,真空斷路器在觸頭閉合前會(huì)有預(yù)擊穿產(chǎn)生。在選相關(guān)合電容器組時(shí),如果以觸頭閉合時(shí)間作為基準(zhǔn)進(jìn)行選相,真空斷路器會(huì)在電壓過(guò)零點(diǎn)前擊穿,回路會(huì)提前導(dǎo)通,此時(shí)涌流產(chǎn)生并流過(guò)真空斷路器。因此,真空斷路器容性關(guān)合預(yù)擊穿時(shí)間及其分散性會(huì)影響選相關(guān)合電容器組的準(zhǔn)確性。為了研究真空斷路器預(yù)擊穿特性對(duì)選相關(guān)合電容器的影響,一共進(jìn)行了4組仿真計(jì)算。真空斷路器選相關(guān)合電容器組仿真分組如表3所示。以觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)選相關(guān)合電容器組時(shí),第1組和第2組分別計(jì)算了杯狀縱磁觸頭真空斷路器和卍字形橫磁觸頭真空斷路器兩端電壓和涌流,并計(jì)算了預(yù)擊穿分散性對(duì)選相準(zhǔn)確性的影響,即在電壓過(guò)零點(diǎn)前t50+σ、t50、t50-σ時(shí)將仿真回路導(dǎo)通。以預(yù)擊穿產(chǎn)生時(shí)間為基準(zhǔn)選相關(guān)合電容器組時(shí),第3組和第4組分別計(jì)算了杯狀縱磁觸頭真空斷路器和卍字形橫磁觸頭真空斷路器兩端電壓和涌流,并計(jì)算了預(yù)擊穿分散性對(duì)選相準(zhǔn)確性的影響,即在電壓過(guò)零點(diǎn)前+σ、0、-σ時(shí)將仿真回路導(dǎo)通。仿真結(jié)果如圖6～圖15所示。測(cè)量每種仿真情況下的涌流最大幅值,結(jié)果如表4所示。

表3 真空斷路器選相關(guān)合電容器組仿真分組

圖6 杯狀縱磁觸頭真空斷路器以預(yù)擊穿時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí)電壓過(guò)零點(diǎn)前0.5 ms回路導(dǎo)通

圖7 杯狀縱磁觸頭真空斷路器以預(yù)擊穿時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí)電壓過(guò)零點(diǎn)后0.5 ms回路導(dǎo)通

圖8 卍字形橫磁觸頭真空斷路器以預(yù)擊穿時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí)電壓過(guò)零點(diǎn)前0.5 ms回路導(dǎo)通

圖9 卍字形橫磁觸頭真空斷路器以預(yù)擊穿時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí)電壓過(guò)零點(diǎn)后0.5 ms回路導(dǎo)通

圖10 杯狀縱磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí)預(yù)擊穿回路導(dǎo)通

由表4可見(jiàn),杯狀縱磁真空斷路器在關(guān)合5 kA涌流時(shí)預(yù)擊穿時(shí)間t50為1.41 ms,分散性為0.50 ms,也就是,預(yù)擊穿時(shí)間分布在0.91～1.91 ms。用此時(shí)間來(lái)模擬杯狀縱磁真空斷路器選相關(guān)合電容器組的預(yù)擊穿時(shí)間。當(dāng)以真空斷路器觸頭閉合時(shí)間作為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí),也就是在電壓過(guò)零點(diǎn)前0.91～1.91 ms回路導(dǎo)通。此時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)擊穿涌流幅值為4.44～8.23 kA。同理,于卍字形橫磁真空斷路器,在關(guān)合5 kA涌流時(shí)的預(yù)擊穿時(shí)間t50為0.63 ms,分散性為0.3 ms,也就是,預(yù)擊穿時(shí)間分布在0.33～0.93 ms。當(dāng)以真空斷路器觸頭閉合時(shí)間作為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí),卍字形橫磁真空斷路器選相關(guān)合電容器組對(duì)應(yīng)的涌流幅值為2.04～4.52 kA。另一種選相關(guān)合電容器組的方式為以t50為基準(zhǔn)進(jìn)行選相,此時(shí)只需考慮預(yù)擊穿時(shí)間分散性對(duì)涌流幅值的影響。當(dāng)以此方式關(guān)合電容器組時(shí),對(duì)于杯狀縱磁觸頭真空斷路器,由于預(yù)擊穿時(shí)間分散性的影響,回路在電壓過(guò)零點(diǎn)-0.5～0.5 ms范圍內(nèi)導(dǎo)通,對(duì)應(yīng)的涌流幅值為0～2.77 kA。對(duì)于卍字形橫磁觸頭真空斷路器,由于預(yù)擊穿時(shí)間分散性的影響,回路在電壓過(guò)零點(diǎn)-0.3～0.3 ms范圍內(nèi)導(dǎo)通,對(duì)應(yīng)的涌流幅值為0～1.91 kA。

圖11 杯狀縱磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí)預(yù)擊穿前0.5 ms回路導(dǎo)通

圖12 杯狀縱磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí)預(yù)擊穿后0.5 ms回路導(dǎo)通

圖13 卍字形橫縱磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí)預(yù)擊穿回路導(dǎo)通

圖14 卍字形橫磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí)預(yù)擊穿前0.5 ms回路導(dǎo)通

圖15 卍字形橫磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相時(shí)預(yù)擊穿后0.5 ms回路導(dǎo)

表4 不同選相方式時(shí)預(yù)擊穿涌流幅值

由仿真結(jié)果可以得出,以真空斷路器觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行選相,可以抑制涌流幅值,但抑制效果并不理想,在選相關(guān)合電容器組時(shí),應(yīng)考慮真空斷路器預(yù)擊穿時(shí)間及其分散性的影響。在選相關(guān)合電容器組時(shí),以真空斷路器預(yù)擊穿時(shí)間t50為基準(zhǔn)進(jìn)行選相,可以有效降低涌流幅值,相比于以觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)的選相,可以將涌流幅值降低50%以上。相比于杯狀縱磁觸頭真空斷路器,卍字形橫磁觸頭真空斷路器可以顯著降低預(yù)擊穿時(shí)間及其分散性。對(duì)于以觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)的選相,預(yù)擊穿時(shí)間是影響涌流幅值的主要因素,卍字形橫磁觸頭真空斷路器相比于杯狀縱磁觸頭真空斷路器可以降低45%以上的涌流幅值。對(duì)于以真空斷路器預(yù)擊穿時(shí)間為基準(zhǔn)的選相,預(yù)擊穿時(shí)間分散性是影響涌流幅值的主要因素,卍字形橫磁觸頭真空斷路器相比于杯狀縱磁觸頭真空斷路器可以降低28%以上的涌流幅值。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 選相關(guān)合電容器組可以有效降低涌流幅值。相較于以真空滅弧室觸頭閉合時(shí)間為基準(zhǔn)的選相方式,以預(yù)擊穿時(shí)間t50為基準(zhǔn)的選相方式更有利于抑制涌流。

(2) 在關(guān)合電容器組時(shí),相較于杯狀縱磁觸頭真空斷路器,卍字形橫磁觸頭真空斷路器有更小的預(yù)擊穿時(shí)間及其分散性。卍字形橫磁觸頭真空斷路器在投切電容器組時(shí)更有優(yōu)勢(shì),尤其適合在選相投切電容器組時(shí)的應(yīng)用。