開斷并聯電抗器過電壓機理分析及應對措施

王馳宇，方 圓，秦 天，孟 毅

（1.國網湖北省電力有限公司武漢供電公司，湖北 武漢 430019；2.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著電力系統的發展，以及線路電纜化率的提高，電力系統在負荷低谷期間對感性無功補償的需求在不斷增大［1-4］。并聯電抗器作為電力系統中的感性無功補償裝置，在維持系統穩定性、優化系統經濟效益和提高線路輸電容量等方面起到了積極作用［5-9］。因此在典型變電站設計規劃中，通常在主變35 kV側或10 kV側安裝并聯電抗器來改善線路上的功率因素，提高運行電壓質量［10-12］。

在真空斷路器斷開并聯電抗器時，極易在電抗器側和母線側產生過電壓，可能引發電抗器燒毀、開關柜爆炸、母線絕緣擊穿等事故［13-19］。本文通過一起實際故障案例分析、理論分析以及仿真模擬提出避免此類故障的應對措施，為今后并聯電抗器設備安裝及改造設計提供參考。

1 故障情況簡述

2021年4月27日，某220 kV變電站1號主變差動保護動作，1號主變110 kV側開關、35 kV側開關跳閘（根據現場運行方式，1號主變220 kV側開關為檢修狀態），同一時刻該變電站1號電抗器斷路器有分閘記錄。

1號主變縱差比率差動保護動作，保護動作差流為2.83Ie，制動電流為1.27Ie，根據計算公式，保護差動電流在制動電流折線上方，滿足動作條件，動作時間12 ms，保護動作正確。

現場對1號主變35 kV側設備逐一進行了外觀檢查。檢查發現，主變低壓側進線柜至主變低壓側母線橋母排A、B、C相及柜體有明顯放電痕跡。1號電抗器避雷器計數器現場檢查累計動作次數分別為4、3、4次，本次故障中A、C相各動作1次。

1號主變中壓側和低壓側電壓波形見圖1，中壓側電流波形見圖2。由于故障點位于主變與主變低壓測電流互感器之間，因此故障錄波器未采集到低壓側故障電流波形。

圖1 主變故錄中壓側及低壓側母線電壓波形Fig.1 Main transformer fault recording medium and low voltage side bus voltage waveform

圖2 主變故錄中壓側電流波形Fig.2 Fault recording of medium voltage side current waveform of main transformer

綜合保護動作報告和故障錄波信息，分析判斷1號主變低壓側首先發生AB相間短路（此時A、B相電壓瞬時值基本相等），持續約10 ms；之后，由AB相間短路發展為A、B相接地短路（此時A、B相電壓為0），持續約7.5 ms；最后，發展為三相接地短路，直至低壓側開關跳閘，持續約37.5 ms。短路故障整體時間持續為55 ms，最大短路電流10.1 kA。

通過上述分析可以看出，故障錄波與現場發現的故障點以及放電形式基本吻合，保護動作邏輯及時序正確，但是從電壓波形上未能發現明顯的過電壓錄波，該現象可能是由于開斷電抗器過程中產生的過電壓頻率較高，錄波裝置無法正確采樣導致的，接下來將通過理論分析以及仿真模擬的手段對故障引發的過程以及原因進行分析。

2 過電壓產生機理分析

真空斷路器在開斷感性負載時，電網狀態的變化導致系統內部電容和電感間的電磁能量相互轉換，造成振蕩，產生操作過電壓。當電弧電流小，斷路器滅弧能力強，強制熄弧時，則會產生截流過電壓。同時真空斷路器開斷過程中，觸頭兩端的恢復電壓為母線側工頻電壓和負載側高頻振蕩電壓疊加形成，若斷路器介質動態絕緣強度不足會導致斷路器再次擊穿，上述過程在開斷過程中反復發生，多次電弧重燃會造成電壓級升，會在斷路器觸頭兩端疊加產生極高的恢復過電壓，即重燃過電壓［20-24］。

2.1 截流過電壓

根據實際情況簡化等值電路如圖3。

圖3 斷路器開斷電感電路的等值電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of circuit breaker breaking inductance circuit

圖3中，e為系統電源，Cs為母線上其它線路對地等效電容，Lt為電抗器間隔的負載電感，Ct為電抗器間隔的負載電容，QF為電抗器間隔的真空斷路器。設截流值為I0，則當截流發生時，電抗器側產生的截流過電壓UL為：

由式（1）可以推導該情況下截流過電壓最高值為：

震蕩頻率為：

通過以上分析可以得出以下結論：

1）截流值越大，截流過電壓則越高，越容易導致斷路器觸頭間的擊穿重燃。

2）由于在該模型中Ct遠小于Lt，因此根據截流值的大小，可以產生數倍于額定電壓的截流過電壓。

3）截流過電壓具有高幅值、高頻率、極陡的特點。通過式（2）可知，高截流值、小雜散電容會產出高截流電壓，因此降低斷路器截流值可以作為降低截流過電壓的技術手段。

2.2 重燃過電壓

真空斷路器在進行開斷動作時，若斷口處絕緣強度回復能力低于斷口處工頻額定電壓與截流過電壓的電壓差，就會在斷口處發生擊穿造成電弧重燃，此時QF相當于閉合狀態，電路中Lt，Ct，Cs構成震蕩電路，在母線側產生過電壓。

通過以上分析可以得出以下結論：

1）相對于截流過電壓而言，重燃過電壓的頻率更高、陡度更大，且會造成母線側過電壓，具有更大的危害性。

2）通過式（1）可知，若該母線上出線間隔較多，線路對地等效電容Cs較大時，對于過電壓會起到明顯的抑制作用。

3）難以持續燃弧的小電流回路在開斷過程中易發生多次重燃，形成多次重燃過電壓，對回路中的電力設備帶來極大的危害。

3 仿真分析

3.1 仿真目的

計算1號電抗器開關由運行轉熱備用過程中的母線側過電壓，需考慮真空斷路器電弧重燃的情況［25-27］。

3.2 計算條件

本次仿真計算范圍如圖4所示，1號電抗器斷路器在分閘過程中，考慮截流過電壓與因電弧重燃而導致的重燃弧過電壓情況下，1號電抗器側的過電壓與母線側相間過電壓。

圖4 建模區域示意圖Fig.4 Schematic diagram of modeling area

相間過電壓計算基準值Uref=57.28 kV，其中Um為35 kV系統最高相間電壓40.5 kV。

計算初態時（即t=0 s時），1號主變主變帶電，1號電抗器斷路器閉合。為計算最大可能的過電壓，設置1號電抗器斷路器動作時間t=0.15 s-0.25 s這半個周期內取多個時間點，計算各點對應的過電壓，并取其最大值。

3.3 設備參數

模型中包含1號電抗器、斷路器、二者之間的電纜3個設備，計算中所需參數如下。

3.3.1 電抗器

電抗器參數為：額定電壓37.5 kV；額定電抗142.05Ω；額定電感452.0 mH；額定電流154 A；額定容量10 000 kVar；額定損耗8.5 kW。

3.3.2 斷路器

斷路器參數為：合閘時間52.96～53.54 ms，分閘時間22.48～22.74 ms。

3.3.3 電抗器電力電纜

電抗器電力電纜型號為YJV22-26/35 3*120，額定電壓40.5 kV，長度135 m，絕緣介質交聯聚乙烯（相對介電常數2.5）。

3.4 計算模型

計算模型如圖5所示，采用Simulink軟件建模。其中，1號電抗器、斷路器、電纜參數如上節所示。

圖5 重燃弧計算模型圖Fig.5 Calculation model diagram of reburning arc

重燃弧過電壓計算方式為：對于計算斷路器分閘過程中的每個時刻，比較斷路器斷口間的絕緣恢復強度是否小于此時斷口兩側電壓瞬時值，若小于則認為斷口處電弧重燃。

3.5 仿真結果

根據仿真計算結果，在本次切除電抗器過程中，母線側的相間最大過電壓值在t=20.0 ms時取得。繪制出該種情況下的波形圖如圖6所示。其中，圖6上圖為1號電抗器側的相間過電壓波形，最大瞬態電壓255.24 kV，過電壓4.47 p.u.；圖6下圖為母線側的相間過電壓波形，最大瞬態電壓253.80 kV，過電壓4.43 p.u.。

圖6 過電壓仿真計算結果Fig.6 Overvoltage simulation results

另外，電弧重燃時間從21.7 ms到30.6 ms，持續約8.9 ms。

4 故障原因分析

真空斷路器切并聯電抗器出現重燃時，最易出現首開相重燃過電壓，其產生的高頻暫態電流在三相間的耦合作用明顯，暫態電流同時疊加在后兩相工頻電流上，可能引起非首開相出現暫態高頻過零點，進而出現等效截流過電壓。由于后兩相負載電流大小相等、方向相反，引起的等效截流過電壓極性也相反，不但會出現嚴重的相對地過電壓，同時會出現嚴重的相間過電壓。

根據仿真計算結果，在當時現場運行條件下切除電抗器過程中，真空斷路器發生重燃，母線側最大重燃過電壓可達253.80 kV，1號主變低壓側母線橋柜內B相母排存在裸露金屬孔、金屬凸起和毛刺，此處首先與臨近的A相母排發生相間短路，逐漸發展為A、B相對地短路，最后發展為三相對地短路。

5 應對措施分析

真空斷路器切空母線上的并聯電抗器時，出現重燃的概率很高，過電壓的最大值可達4.43 p.u.，已超過規程允許值，運行風險極高，應進行改造。帶總長度25 km以上出線的母線，由于線路對地等效電容對過電壓的抑制作用，風險有所降低，但仍需及時關注避雷器動作情況［28-30］。相應的改造策略建議如下。

5.1 采用相控斷路器開斷并抗

相控斷路器通過引入一個合適的燃弧時間窗口，使得斷路器的觸頭在電流過零點前提前分離，分離后持續燃弧，至電流過零點處熄弧，此時動靜觸頭已經有一定開距，重擊穿概率減小。

對于中性點不接地系統，采用第一相先分閘，然后控制另外兩相同時分閘的策略。目標分閘角度在首分閘相電流過零處，以及另外兩相的線電流的過零點（首分相電流過零之后5 ms處）。目標角度均以UA為參考基準，電感的電壓超前電流90°，所以目標分閘角度設定為90°、180°、180°，三相的燃弧時間均設置為6～8 ms。

5.2 采用中性點斷路器開斷并抗

該方式（如圖7）對母線側過電壓的抑制效果最為明顯，也無明顯的截流或重燃現象，但在開斷時會在電抗器中性點產生較高的振蕩過電壓，對電抗器匝間絕緣有較大危害，因此需在電抗器中性點斷路器前加裝一組避雷器。

圖7 采用中性點斷路器開斷并抗的接線方式圖Fig.7 Wiring diagram of shunt reactor with neutral point circuit breaker

同時也應該注意新增一組中性點斷路器后，電抗器投入、退出操作的順序以及電抗器母線側斷路器保護動作順序邏輯。在電抗器投入時應先合中性點斷路器再合母線側斷路器；在電抗器退出時應先分中性點斷路器再分母線側斷路器；在母線側斷路器保護動作時應先跳中性點斷路器，再跳母線側斷路器。

6 結語

綜上分析，開斷并聯電抗器所產生的過電壓是具有治理手段的。隨著電網的發展、電纜化率的提高，負荷低谷時期系統感性無功的需求也在增大。在變電站規劃設計階段，配置應用并聯電抗器的同時，也必須根據實際情況合理選擇應對過電壓的措施，最大限度地保障電網安全穩定運行。