真空斷路器開斷并聯電抗器RC阻容器過電壓抑制仿真試驗研究

廣東電網有限責任公司東莞供電局 唐錦堯 黃秋達

關鍵字：真空斷路器；并聯電抗器；RC阻容器；過電壓

1 采用RC 阻容器限制過電壓

基于真空優秀的絕緣性能和滅弧性能，真空斷路器的觸頭在密閉的真空室進行工作，在進行接通和分斷電路的操作時，其內部存在金屬蒸汽離子的分散及再復合運動，這個過程持續的時間非常短，因此滅弧的時間非常短，并且能有效回到原有的最大真空度，此外其開斷能力不會受到頻繁分合閘操作的影響而下降。所以真空斷路器擁有易維護、斷流容量大、有利于反復運作等諸多優勢，但真空斷路器在工作過程中產生過電壓的弊端較普遍。

電網供電的安全可靠在如今越發重要，因此對系統穩定性的要求也越發嚴格。但工作過程中，過電壓的出現會對系統造成極大的威脅，在一定程度上會對系統的穩定性和安全性造成嚴重的影響，為此需要了解過電壓的發生過程以及本質和特征，這對準確選用過電壓保護裝置是非常關鍵的。真空斷路器在進行分合電路的過程中，皆容易產生操作過電壓。真空斷路器的觸頭在進行閉合時通常會出現水平差異的彈跳狀態，因此產生過電壓。

在電路接通時，觸點之間的距離會隨時間的增加而越來越小直至消失，觸點內產生的過渡電壓會維持一直下降的狀態，所以過電壓的最大值通常較小，對系統造成的影響不會很嚴重。對系統設備穩定工作造成影響的關鍵是斷開電路過程中產生的過電壓，在開斷變壓器等設備的過程中，真空斷路器出現的過電壓可以劃分為截流、三相同時截流過電壓以及反復重燃過電壓[1]。

1.1 截流過電壓

真空斷路器具有的良好滅弧性能，在分合過程中，能夠在電流過零之前對電弧進行斷開，而在變壓器中還留有截斷電流，這時在變壓器電感繞組和散電容之間，余留的能量反復振蕩從而導致較大過電壓產生。

1.2 三相同時截流過電壓

斷路器在分合弧內出現復燃狀態，此時該間隙有高頻電產生，另外兩弧間隙中的工頻電流被其帶動會出現快速過零的情況，同時產生過電壓。

1.3 反復重燃過電壓

真空斷路器在閉合動作過程中，滅弧操作是將觸頭分離進行的。由于觸頭間的距離很小，在電壓的帶動下會出現復燃，電氣回路在電弧進行復燃的過程中將產生頻率很高的電流，在進行首次的復燃再滅弧的動作之后，斷路器的電壓將變得更大，高頻滅弧在非常快的時間內觸頭間距離又非常小時，可能發生再次的復燃，這樣將導致反復重燃的情況發生。

在上述相關操作過程中容易導致過電壓的產生，這會對系統設備造成破壞，并且真空斷路器擁有的優秀滅弧性能，在開斷時產生的過電壓會破壞系統設備的絕緣，造成相關設備異常事故，過電壓的產生對正常工作的系統設備威脅較大。所以，為了防止操作過電壓的產生，應按要求選擇合適的過電壓保護裝置，達到將過電壓對消甚至清除的效果[2]。

阻容吸收器總體的結構組成簡明，各相都是通過電容與電阻的串聯操作連接而成的。阻容吸收器的關鍵作用是限制開閉和操作過程中產生的過電壓，借此確保發電機、電動機等系統部件的安全穩定運行，在重復進行閉合操作的系統中能起到較大的作用。與電容器有所不同的是，具有阻容吸收器的電路在暫態過程中能快速產生RLC回路，通過電阻的作用，振蕩的衰減速率能得到進一步提升，因此可以實現對過電壓與陡勢進行抑制。

阻容吸收器在系統中的作用與并聯式電容器的作用相仿，在電抗器中加大其支路上電容的數值，并平滑其原來的過電壓的陡勢，借此達到減小電壓的振蕩頻率，使斷路器內部出現擊穿事故的可能性變小；此外，阻容吸收器通過電路中電阻的存在對能量進行耗盡，減緩高頻電流的提升，同樣起到減小預擊穿發生數量和平滑過電壓陡勢的效果。阻容吸收器因電弧操作導致的過電壓具備非常優秀的限制作用。針對抑制頻繁預擊穿情況導致的過電壓，在跟避雷器件進行比較下，阻容吸收器具備以下幾點優勢[3]。

一是阻容吸收器中具有線性電阻元件，能夠對過電壓產生的額外能量進行耗盡，因此可以對其幅值進行有效的抑制。

二是對比兩者的保護作用，阻容吸收器對外界的抗干擾能力較強，而避雷器的抗干擾能力則較弱，在結構內中性點處的接線情況，會引起避雷器與負載兩者之間絕緣程度的不相匹；而阻容吸收器較好的抗干擾能力，能使其自身與負載的絕緣程度相適應。

三是阻容吸收器在電阻阻尼促進效果的幫助下，電壓的振蕩衰減的速率得到提高且達到減緩陡度的作用。

四是阻容吸收器的保護多樣，但避雷器只有當自身兩端的電壓大于閾值時，才能抑制過電壓的產生從而達到保護設備的目的，若采用單相連接的接線方法，那么將無法有效抑制相間過電壓的產生。

2 不同安裝位置下RC 阻容器對過電壓抑制的仿真

分別在位置a（電抗器首端）和位置b（站用變首端）增加RC 阻容器，仿真圖如圖1所示。仿真分析不同位置下RC 阻容器過電壓的抑制效果。

圖1 不同位置RC 阻容器仿真圖

由于目前相關行業準則中，還沒有關于阻容器相關參數的明確規范，因此未明確阻容吸收器的電容電阻值在各種工作條件下的選取，所以仍須計算得知，對于分析不同位置下的過電壓抑制情況，本文在電容0.1μF、電阻150Ω 下進行情況分析[4]。

在位置a（電抗器首端）加裝RC 阻容器時，電抗器處過電壓及站用變處過電壓仿真圖如圖2所示。

圖2 在電抗器首端加裝RC 阻容器過電壓仿真圖

在位置b（站用變首端）加裝RC 阻容器時，電抗器處過電壓及站用變處過電壓仿真圖如圖3所示。

圖3 在電抗器首端加裝RC 阻容器過電壓仿真圖

同時在位置a（電抗器首端）和位置b（站用變首端）加裝RC 阻容器時，電抗器處過電壓及站用變處過電壓仿真圖如圖4所示。

圖4 在位置a 和b 同時加裝RC 阻容器過電壓仿真圖

在不同安裝位置RC 阻容器時，電抗器、站用變處過電壓見表1，U1p為電抗器處過電壓、U2p為站用變處過電壓。

表1 RC 阻容器安裝位置對過電壓的影響

由表1中的數據可以看出，對比位置a（電抗器首端）、位置b（站用變首端）同時加裝RC 阻容器和安裝單一RC 阻容器相比抑制能力沒有明顯的提升，性價比相對較低，所以只需安裝單一RC 阻容器即可達到抑制過電壓效果，根據不同安裝位置過電壓波形，確定最佳安裝位置為電抗器首端。

3 不同電阻阻值下RC 阻容器對過電壓抑制的仿真

本文選擇RC 阻容器電容值為0.1μF 時，電阻值分別為10Ω、100Ω、200Ω、400Ω、600Ω、800Ω 六種情況下的仿真計算[5]。

在電抗器首端安裝不同參數電阻的RC 阻容器時。電抗器、站用變處過電壓如表2所示，Ub為電抗器處過電壓、Ud為站用變處過電壓。

表2 電阻對過電壓的影響

由圖5可知，當電阻值從10Ω 增加至400Ω 時，電抗器處過電壓幅值出現輕微的降低，站用變處過電壓也出現輕微的波動；當電阻值從400Ω 增加至800Ω 過程中，電抗器處過電壓幅值出現回升現象，占用變出過電壓也出現明顯的上升。雖然隨著電阻值得增加，電抗器處的電壓衰減時間減少，但是衰減時間降低速率明顯變慢。所以，最佳選擇電阻范圍為100~400Ω。

圖5 不同電阻參數下的過電壓衰減時間

4 不同電容容值下RC 阻容器對過電壓抑制的仿真

本文選擇RC 阻容器電阻值為100Ω 時，電容值分別為0.05μF、0.1μF、0.15μF、0.2μF 四種情況下的仿真計算，計算結果如表3所示。

表3 電容對過電壓的影響

由表3可知，當電容值從0.05μF 增加至0.1μF 時，電抗器處過電壓幅值隨著電容值得增大出現明顯的降低；當電容值為0.05μF 時，站用變處過電壓為26.2kV，限制效果不明顯，當電容值從0.1μF 增加至0.2μF 時，站用變處過電壓出現明顯被抑制現象，且隨著電容值增加出現輕微波動，即電容值在0.1μF 以上時，站用變處過電壓變化不大。

圖7 站用變首端過暫態電壓

5 試驗驗證

圖6為#2電抗器首端過暫態電壓，根據波形可以看到，在保護裝置作用下，#2電抗器首端過電壓幅值和頻率都被有效地抑制。

圖6 #2電抗器首端過暫態電壓

6 結論

通過將仿真結果與理論相結合分析得到，在斷路器分閘時，分閘過電壓受RC 阻容器的影響，斷路器斷口電壓的幅值始終小于斷口絕緣強度，從而促使重燃過程被消滅，電抗器處和站用變處過電壓得到很好的抑制。

一是在位置a（電抗器首端）加裝RC 阻容器時，能明顯阻礙電抗器處和站用變處過電壓的產生；在位置b（站用變首端）加裝RC 阻容器時，只能有效阻礙后者過電壓的產生，而不能有效防止電抗器處過電壓的產生。兩個位置對站用變處過電壓的阻礙作用基本相同。

二是RC 阻容器的電阻主要影響過電壓幅值的衰減時間，隨著電阻值的增大，衰減時間逐漸減少。電阻值與衰減時間呈非線性關系，隨著電阻越來越大，衰減時間減小的速率越來越慢。

三是RC 阻容器的電容主要影響過電壓的幅值大小，而幅值的大小與電容成凹函數曲線，即先隨著電容的增大而減小，后隨著電容的增大而增大。