真空斷路器投切并聯(lián)電抗器過電壓故障分析

吉亞民，周志成，馬 勇，秦延山，謝天喜

(1.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京 211102；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

隨著城市電網(wǎng)中110 kV 和220 kV 電壓等級長電纜輸電線路的廣泛應(yīng)用，需要在主變低壓側(cè)使用并聯(lián)電抗器對線路的容性無功進行補償以控制線路末端電壓。目前，10 kV 和20 kV 并聯(lián)電抗器均采用真空斷路器，而35 kV 并聯(lián)電抗器的投切則通常采用SF6斷路器，少量使用真空斷路器。真空斷路器具有結(jié)構(gòu)簡單、滅弧能力強、可頻繁操作、維護方便、安全可靠等優(yōu)點，但是在利用其切除電抗器時卻極易因截流、重燃而產(chǎn)生很高的操作過電壓，對設(shè)備的安全穩(wěn)定運行造成嚴(yán)重威脅[1，2]。近年來，多次發(fā)生真空斷路器投切并聯(lián)電抗器操作過電壓導(dǎo)致所用變、母聯(lián)開關(guān)閃絡(luò)等故障[3，4]。

1 故障實例

2012年5 月1 日08：10，某220 kV 變電站20 kV 1 號接地變104 開關(guān)、2 號主變變?nèi)齻?cè)分支一102開關(guān)故障跳閘。接地變保護裝置過流保護、零序過流保護均動作出口跳開104 開關(guān)，故障電流約為318 A；2 號主變后備保護裝置低壓分支一復(fù)壓閉鎖過流Ⅱ段動作出口跳開102 開關(guān)，故障電流約為16 000 A；101 開關(guān)無保護動作跳閘，跳閘時一次電流為1000 A 左右。故障發(fā)生時的系統(tǒng)接線圖如圖1 所示。

在20 kV 設(shè)備區(qū)內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)，開關(guān)室內(nèi)有濃煙冒出。發(fā)現(xiàn)母聯(lián)A10 開關(guān)柜燒毀，柜內(nèi)保護裝置燒毀嚴(yán)重，柜體已變形無法拉出，相鄰A101 隔離開關(guān)也無法拉出，打開A10 開關(guān)柜后網(wǎng)門發(fā)現(xiàn)開關(guān)A 相與母線間有明顯放電灼燒痕跡。經(jīng)現(xiàn)場分析，故障原因為切除6 號電抗器時，在電抗器兩端產(chǎn)生較高幅值過電壓，開關(guān)發(fā)生重燃后，母線上也出現(xiàn)較高過電壓引起20 kV 母聯(lián)A10 開關(guān)發(fā)生故障。另外某變電站35 kV電抗器采用的真空開關(guān)，在切除該電抗器時，多次發(fā)生接在母線上的站用變相間放電故障。現(xiàn)場實測過電壓較高，超出了設(shè)備絕緣水平，且避雷器未起到防護作用。后來將真空斷路器更換為SF6斷路器，運行正常。

圖1 變電站20 kV 側(cè)主接線運行方式

2 真空斷路器投切電抗器過電壓分析

真空斷路器切除電抗器操作過電壓主要有截流過電壓、復(fù)燃過電壓和重燃過電壓等[5，6]。

2.1 截流過電壓

真空斷路器在開斷電抗器時，因真空斷路器的滅弧能力強，會使電流強迫過零而產(chǎn)生截流。并聯(lián)電抗器等效回路以電容、電感為主，這種回路的電壓電流是不能突變的，截流必然引起劇烈的電磁振蕩。忽略阻尼作用，根據(jù)能量守恒定律可推導(dǎo)出單相電抗器截流過電壓的估計值：

式（1）中：L為電抗器電感量；Ich為截流幅值；C為電抗器繞組對鐵心、電纜等對地的等效電容；Um為等效電容上的電壓最大值；U0為等效電容上的初始電壓。

振蕩頻率為：

由式（2，3）可以看出真空斷路器截流值越高、雜散電容越小，截流過電壓越高。三相系統(tǒng)的截流過電壓更為復(fù)雜，但其原理基本相同。

2.2 復(fù)燃過電壓

斷路器在開斷時，如果被開斷的負(fù)荷側(cè)暫態(tài)恢復(fù)電壓及其上升率高于斷口絕緣強度的恢復(fù)能力和恢復(fù)速度，電弧就會在瞬間將斷口擊穿，產(chǎn)生復(fù)燃，并在復(fù)燃相上產(chǎn)生復(fù)燃過電壓，在其他相上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，隨后高頻暫態(tài)電流出現(xiàn)過零點，斷口再次滅弧，再次截流。如果被開斷的負(fù)荷側(cè)暫態(tài)恢復(fù)電壓及其上升率仍然高于斷口絕緣強度的恢復(fù)能力和恢復(fù)速度，就會再次重復(fù)“擊穿—滅弧”的過程，直到斷口的絕緣強度足夠大，不再產(chǎn)生復(fù)燃。在真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器時，其暫態(tài)恢復(fù)電壓主要由截流引起，因此截流過電壓的頻率直接體現(xiàn)了暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率;很高的頻率導(dǎo)致很高的暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率，很高的暫態(tài)恢復(fù)電壓和暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率導(dǎo)致很高的復(fù)燃幾率。

2.3 重燃過電壓

一般情況下真空斷路器的重燃是由于滅弧室制造時沒有進行老煉造成的，在真空滅弧室采取老煉措施后，真空斷路器的重燃幾率很低。重燃和多次重燃的過電壓產(chǎn)生過程與復(fù)燃的過程類似，多次重燃的過電壓水平也是很高的。真空斷路器在開斷電抗器時，因真空斷路器的滅弧能力強，會使電流強迫過0 而產(chǎn)生截流，由截流產(chǎn)生較高的過電壓可能使觸頭重燃，從而會有更高的過電壓出現(xiàn)，必須采取過電壓保護措施。在幾次故障中，系統(tǒng)均安裝了避雷器，但未起到防護效果。常規(guī)氧化鋅避雷器只能限制過電壓幅值，不能改變頻率和陡度，也不能保護相間絕緣。為了抑制過電壓，可考慮加裝并聯(lián)電容器（或阻容吸收裝置），降低過電壓幅度，也可降低過電壓的頻率。

3 建模計算

以該變電站20 kV 側(cè)主接線運行方式（如圖1 所示）為背景進行建模。電抗器每相電抗為0.318 H，20 kV 碼唐2 號為一段1 km的電纜線路，假定6 號電抗器的斷路器A 相發(fā)生截流，B 相、C 相電流過0 關(guān)斷，對截流過電壓進行仿真計算。母線及系統(tǒng)其他雜散電容考慮2000 pF，電源、主變、接地變等采用典型參數(shù)。

當(dāng)假設(shè)母線上只有6 號電抗器投入運行，在6 號電抗器并聯(lián)1 組電容器，每組電容分別為0.3 μF，0.5 μF，1 μF，2 μF 和3 μF。當(dāng)切除6 號電抗器時，計算5 A 截流值下20 kV的過電壓水平。母線上過電壓計算結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 不同并聯(lián)電容值下的母線過電壓水平

圖3 母線的過電壓典型波形

由圖2 計算結(jié)果可知：并聯(lián)電容后可明顯降低母線的截流過電壓水平，并聯(lián)電容越大，過電壓水平越低，加裝電容器后，過電壓水平處在2.0 p.u.以內(nèi)；并聯(lián)電容分別為0.1 μF，0.2 μF，0.3 μF，0.5 μF，1 μF，2 μF和3 μF時，過電壓水平分別降低53.16%，53.81%，54.45%，55.53%，58.10%，62.42%和65.92%。電容值在0.3 μF 之后，過電壓的降低程度不明顯。電抗器側(cè)的過電壓水平如圖4、圖5 所示。

圖4 不同并聯(lián)電容值下電抗器過電壓水平

圖5 電抗器的過電壓典型波形

由圖4 計算結(jié)果可知：電抗器上并聯(lián)電容器組后，電抗器的過電壓水平明顯降低，電容大于0.1 μF時，電抗器上過電壓水平在1.4 p.u.以內(nèi)。

4 結(jié)束語

（1）真空斷路器在開斷并聯(lián)電抗器時，因真空斷路器的滅弧能力強，會使電流強迫過0 而產(chǎn)生截流，由截流產(chǎn)生較高的過電壓可能使觸頭重燃，從而會有更高的過電壓出現(xiàn)。所以對于35 kV 并聯(lián)電抗器應(yīng)采用SF6斷路器，而目前10 kV 和20 kV 開關(guān)柜均采用真空斷路器，必須采取過電壓抑制措施。

（2）常規(guī)氧化鋅避雷器只能限制過電壓幅值，不能改變頻率和陡度，不能保護相間絕緣。從故障現(xiàn)象和現(xiàn)場實測結(jié)果看，斷路器在開斷并聯(lián)電抗器時相間過電壓較高，導(dǎo)致設(shè)備相間故障。

（3）為了抑制過電壓，可考慮加裝并聯(lián)電容器（或阻容吸收裝置），降低過電壓幅度，也可降低過電壓的頻率。并可加裝相間避雷器，進一步抑制相間過電壓。并聯(lián)電容器（或阻容吸收裝置）和避雷器的參數(shù)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)情況計算確定。

（4）真空斷路器截流是其開斷并聯(lián)電抗器產(chǎn)生過電壓的主要原因，本文建模計算5 A 截流值下的過電壓水平，如果截流值超過5 A，過電壓還將大幅升高。真空斷路器制造廠應(yīng)采取措施，降低截流值。

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