隔離開關(guān)速度對特快速暫態(tài)過電壓和快速暫態(tài)電流的影響研究

0 引言

目前，在電力系統(tǒng)中，由于隔離開關(guān)生產(chǎn)廠家的不同、對隔離開關(guān)操作速度控制困難等諸多原因，對隔離開關(guān)操作速度產(chǎn)生的特快速暫態(tài)過電壓和快速暫態(tài)電流的影響研究相對匱乏。有研究者曾對西開和平高兩個廠家生產(chǎn)的GIS進行研究并現(xiàn)場測量，用隔離開關(guān)分合空載母線并測量其產(chǎn)生的VFTO，測量結(jié)果表明，兩個廠家產(chǎn)品產(chǎn)生的VFTO幅值基本沒有差別，測量結(jié)果沒有明顯的一致性規(guī)律[]。造成這種情況的原因可能是在某個特定的速度區(qū)間內(nèi)，隔離開關(guān)速度對特快速暫態(tài)電壓的影響可以忽略不計，但不能盲目地得出結(jié)論：隔離開關(guān)速度對VFTO沒有影響。有研究者指出，因隔離開關(guān)操作速度的不同會導(dǎo)致燃弧過程中重擊穿次數(shù)有所不同，因此有可能影響VFTO的幅值和波形[2-4]。筆者曾經(jīng)對此通過MATLAB建模仿真，結(jié)果表明在隔離開關(guān)速度一定的情況下，分閘過程中的最后一次重擊穿在空載母線上產(chǎn)生的殘壓會很小，合閘過程中產(chǎn)生的VFTO幅值相對較小。若實際操作中，隔離開關(guān)操作速度對VFTO的影響較大，在GIS的設(shè)計與制作工藝中，采用相應(yīng)的機構(gòu)裝置，再對機械運動機構(gòu)進行相應(yīng)優(yōu)化，就有可能實現(xiàn)降低甚至消除VFTO的目標[5]。此種方法較其他抑制VFTO的措施更加經(jīng)濟適用，因此研究隔離開關(guān)的分合閘操作速度對VFTO的影響有重要的現(xiàn)實意義。

1 試驗平臺

本次試驗所用試驗變壓器的容量為 150kV/ 15kVA ，并聯(lián)電容為 300pF ，保護電阻為 10kΩ 。電流傳感器信號通過光電轉(zhuǎn)換器由同軸電纜傳至示波器。本次試驗所測項目主要為負載側(cè)電壓 U_L 和電流I，其裝置圖和試驗回路圖如圖1所示。

1.1 電壓傳感器

試驗平臺電壓測量系統(tǒng)主要由高壓導(dǎo)桿、手窗蓋板、輸出端口、GIS外殼、感應(yīng)電極組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。 C₂ 為傳感器的低壓側(cè)電容，由兩個圓形蓋板形狀的電容組成，兩個電容被聚酯類薄膜隔離。 C₁ 由高壓導(dǎo)桿和下側(cè)圓形電極組成，是電壓傳感器的高壓電容。信號從圓形電極引出，經(jīng)連接線乙和匹配電阻 Z₀ 傳輸至示波器，電壓測量傳感器固定在手窗蓋板處。其電路圖如圖2所示。

1.2 電流傳感器

電流傳感器采用的是羅氏線圈，也稱柔性互感器，適用于精確測量大電流、高頻率的電流信號，具有無磁飽和、無磁滯效應(yīng)、高精度的優(yōu)點，能夠滿足項目實測的要求。羅氏線圈是一個均勻包裹在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，當羅氏線圈中心有被測電流穿過時，在環(huán)形繞組包裹的區(qū)間內(nèi)會感應(yīng)出一個變化的磁場，通過一個反向積分器將此感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)化為可測量的交流電流信號。

1.3 隔離開關(guān)分合閘速度的測量

試驗平臺采用可更換式彈簧操動機構(gòu)，如圖3所示，彈簧操動機構(gòu)更換安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單，在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。

試驗平臺中隔離開關(guān)速度定義為隔離開關(guān)行程的 10.2～0.8 與時間之比，平臺中隔離開關(guān)行程為 160mm 速度測量結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，6號彈簧的分合閘速度最高，最高分閘速度為 3.1m/s ，最高合閘速度為 3.3m/s 。1號彈簧的分合閘速度最低，最低分閘速度為 1.7m/s 最低合閘速度為 1.5m/s 。選取其中編號為1、6的彈簧，對每個彈簧分別做50次合閘試驗、50次分閘試驗，分別測出其電壓和電流，結(jié)果如表2所示。

通過分析比較得出最大VFTO和VFTC值出現(xiàn)在1號彈簧的分閘過程中，最大VFTO為 1.52p.u. ，最大VFTC為 2.62kA 。以上數(shù)據(jù)表明，在一定的速度范圍區(qū)間內(nèi)，隔離開關(guān)操作的速度越快時，產(chǎn)生的VFTO和VFTC值就越小，VFTO和VFTC值最小的為6號彈簧，分別為1.27p.u.和 2.31kA 。當隔離開關(guān)的速度比較快時，分合閘過程中的擊穿次數(shù)較少，在電源側(cè)峰值擊穿的可能性降低，出現(xiàn)最大VFTO值的可能性也會下降。

2 不同開關(guān)速度下VFTO、VFTC統(tǒng)計特性

試驗中，電源側(cè)加電壓 150kV （有效值），主要有兩個測量點：1一電源側(cè)端口電流1，2—負載側(cè)末端電壓 U_L 。為有效統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)，使用1號和6號彈簧對

隔離開關(guān)分別進行分合閘試驗，試驗步驟如下：1控制電源側(cè)試驗控制臺至電壓 140kV;2） 進行隔離開關(guān)分合閘操作；3）降壓接地；4儲存測量數(shù)據(jù)。

2.1 3.3m/s 速度情況下數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用6號彈簧分別進行100次合閘、分閘試驗，分別測量負載側(cè)端口電壓 U_L 和電源側(cè)端口電流I，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2.1.1 電流幅值統(tǒng)計

從圖4統(tǒng)計結(jié)果得出，合閘電流平均值為 1.05kA 最大值達到 1.6kA 。分閘電流平均值為 1.19kA ，最大值為 2.03kA 。

2.1.2 電壓峰值統(tǒng)計

如圖5所示，合閘產(chǎn)生VFTO的最大值為1.44 p.u.，分閘產(chǎn)生VFTO最大值為 1.45p.u. 。

2.2 1.5m /s速度情況下數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用1號彈簧分別進行100次合閘、分閘試驗，分別測量負載側(cè)端口電壓 U_L"和電源側(cè)端口電流I，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2.2.1 電流峰值統(tǒng)計

如圖6所示，合閘電流最大值為 3.71kA ，平均值為 1.38kA 。分閘電流最大值為 5.12kA ，平均值為1.82kA 。

2.2.2 電壓峰值統(tǒng)計

如圖7所示，合閘VFTO最大值為 1.55p.u. ，分閘VFTO最大值可達 1.78p.u. 。

3 隔離開關(guān)分合速度對VFTO和VFTC的影響

當隔離開關(guān)操作時，不同的分合閘速度對分合閘過程中的多次擊穿將產(chǎn)生一定影響，從而影響到VFTO和VFTC的幅值大小。方差是衡量數(shù)據(jù)波動大小的特征量，定義為各數(shù)據(jù)與平均數(shù)偏離程度的量度，方差越大，數(shù)據(jù)波動越大；方差越小，數(shù)據(jù)波動越小。圖8及圖9顯示，在不同分合速度下，VFTO和VFTC幅值的分布規(guī)律總體上基本符合正態(tài)分布。電壓的期望值隨著速度的加快而減小，其方差隨著速度的加快而增大；電流的期望值隨著速度的加快而減小，其方差隨著速度的加快而增大。

4結(jié)論

本文主要對 252kV GIS產(chǎn)生的VFTO和VFTC的影響因素進行了研究和分析，通過高壓開關(guān)機械特性測試儀測量了6種不同彈簧的速度。在此基礎(chǔ)上進行了大量的試驗數(shù)據(jù)分析，并對VFTO和VFTC的幅值、頻率進行了統(tǒng)計分析。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，隔離開關(guān)在一定速度范圍區(qū)間內(nèi)，快速隔離開關(guān)產(chǎn)生的最大VFTO和VFTC值小于慢速隔離開關(guān)分合閘過程中產(chǎn)生的最大VFTO和VFTC值；在同一隔離開關(guān)分合閘過程中，分閘產(chǎn)生的最大VFTO和VFTC值略高于合閘產(chǎn)生的最大VFTO和VFTC值。

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