真空断路器投切并联电抗器过电压实例研究.docVIP

真空断路器投切并联电抗器过电压实例研究真空断路器结构简单、可靠性高、免维护、寿命长、适合频繁操作等特点使其在电力系统中得到广泛的使用。但同时真空断路器也有一些不足之处，如截流、弹跳、复燃、重燃和由此而产生过电压。过电压问题在投切并联电抗器组时显得特别突出。为了解此过电压(幅值及频率)的情况，并比较保护措施的效果，需要对真空断路器投切并联电抗器的运行情况进行试验研究。 1 实例一 1.1 试验内容 天津某220kV变电站150MVA主变的10kV系统装有中性点不接地的BKSC-6000/10型容量为6000kvar的三相铁心并联电抗器，投切并联电抗器断路器为3AH5404W型真空断路器，断路器到电抗器的联络线为YJV22-10，3150mm2，长度约90m的双缆，电抗器侧的避雷器为 HY5WR5-17/45型氧化锌避雷器。天津市电力科学研究院对这种电抗器作了现场投切试验。试验中使用数据采集设备记录了电抗器侧的电压和电流波形、母线侧的电压波形，见图15，表1。 1.2 试验结果(运行编号：2051) .3 试验结果分析 1.3.1 合闸过电压 由统计数据表可以看出此真空断路器投电抗器的合闸相对地过电压倍数没有超过3.0。 从合闸波形看出合闸过电压的波前在10s以下，周期在20s之内，属快波前操作过电压。 1.3.2 分闸过电压 从分闸的波形可以看出分闸过电压主要有两种，第一种是与感容元件的自由振荡类似的截流过电压，如图5所示，第二种是复燃过电压，如图4所示。由统计数据表可以看出此真空断路器切电抗器的分闸过电压在有复燃存在时会达到相当高的程度，相对地过电压最大值为5.83倍，在没有复燃现象存在时仅为1.57倍，可见复燃是导致分闸过电压过高的主要原因。 首开相的自由振荡频率为2517Hz，随后开断的两相振荡频率为3350Hz，属于缓波前操作过电压。 图4中注1为复燃过电压，复燃相的过电压上升沿为2050/s，属于缓波前操作过电压。图4中注2为复燃时在没有复燃的两相上的感应过电压波形，其波前在10s之内，周期在20s以下，属快波前操作过电压，其幅值比复燃相还要高，同时这两相之间的相问过电压是最高的，有时可达8592kV(如第3，4次的BC线电压)，已经超出了运行设备的绝缘水平，而氧化锌避雷器对此类快波前、短周期的操作过电压保护效果不明显。 2 实例二 2.1 试验内容 天津地区另一220kV变电站120MVA主变的10kV系统装有中性点不接地的BKSC-5000/10型容量为5000kvar的三相铁心并联电抗器8组，投切用的断路器为3AH2115-2型真空断路器，断路器到电抗器的联络线为YJV22-10，3150mm2，长度90110m的双缆，电抗器侧接有氧化锌避雷器，所不同的是电抗器侧、母线侧都接有型号为LGl2-0.4/40-1(电容0.4F，电阻40)的干式过电压吸收器。天津市电力科学研究院对这种电抗器也作了投切试验。 2.2 试验结果(运行编号：2051) 数据统计见表2，典型波形见图6，7。 来源: 2.3 试验结果分析 由统计数据表可以看出此真空断路器投电抗器的合闸过电压倍数没有超过1.3；从合闸的波形可以看出合闸过电压波前约为20100s，但幅值不高，波尾近似工频。 由统计数据表可以看出此真空断路器切电抗器的分闸过电压倍数没有超过2.0；从分闸的波形可以看出分闸过电压为截流过电压，其首开相振荡频率为786Hz，后开断两相振荡频率为958Hz，属缓波前过电压。 对比实例一中的数据可以看出无论是合闸过电压还是分闸过电压，实例二中的数据都较低，且实例二中没有快波前的操作过电压，可见阻容吸收装置对真空断路器投切并联电抗器的操作过电压有很好的抑制效果。 3 投切时的操作过电压产生机理 3.1 截流过电压 并联电抗器等效回路以电容、电感为主，这种回路的电压电流是不能突变的，截流必然引起剧烈的电磁振荡。忽略阻尼作用，根据能量守恒定律可推导出单相电抗器截流过电压的估计值。 上式中L - 电抗器电感量； Ich - 截流幅值； C - 电抗器绕组对铁心、电缆等对地的等效电容； 来源:高压开关网 Um - 等效电容上的电压最大值； U0 - 等效电容上的初始电压。 振荡频率为： 如果考虑阻尼的作用，其品质因数为： 由(1)可以看出真空断路器截流值越高、杂散电容越小，截流过电压越高。三相系统的截流过电压更为复杂，但其原理基本相同。 3.2 复燃过电压 断路器在开断时，如果被开断的负荷侧暂态恢复电压及其上升率高于断口绝缘强度的恢复能力和恢复速度，电弧就会在瞬间将断口击穿，产生复燃，并在复燃相上产生复燃过电压，在其它相上产生感应过电压，随后高频暂态电流出现过零点，断口再次灭弧，再次截流，如果被开断的负荷侧暂态恢复电压及其上升率仍然高于断口绝缘强度的恢复能力和恢复速度，就会再次重复“击穿-灭弧”的过程，直到断口的绝缘强度足够大，不再产生复燃。 在真空断路器开断并联电抗器时，其暂态恢复电压主要由截流引起，因此截流过电压的频率直接体现了暂态恢复电压上升率；很高的频率导致很高的暂态恢复电压上升率，很高的暂态恢复电压和暂态恢复电压上升率导致很高的复燃几率。 3.3 重燃过电压 实例一和实例二的试验中都没有发现重燃现象，但重燃时的过电压问题仍然需要考虑。 一般情况下真空断路器的重燃是由于灭弧室制造时没有进行老炼造成的，在真空灭弧室采取老炼措施后，真空断路器的重燃几率很低。重燃和多次重燃的过电压产生过程与复燃的过程类似，多次重燃的过电压水平也是很高的。 3.4 合闸过电压 在实例一中的合闸过电压主要是由于合闸弹跳的存在使断路器出现了类似复燃的“击穿-灭弧”过程，抬高了合闸过电压水平。实例二中虽然也可以看到弹跳现象，但没有出现类似复燃的“击穿-灭弧”过程，过电压水平较低。 4 过电压保护措施及设备 4.1 过电压保护措施 根据实例一和实例二的对比和截流、复燃等过电压产生的机理，建议在电抗器侧、母线侧分别加装阻容吸收装置，以增大母线侧、电抗器侧的对地电容，既可以降低截流过电压的幅值，又可以降低截流过电压的频率，改善断路器灭弧条件，降低复燃概率，从而降低真空断路器投切并联电抗器时的操作过电压。 来源: 但即使安装了阻容吸收装置也不能保证断路器不发生重燃、复燃，同时还有可能出现非预期的谐振，出于安全性考虑，应在电抗器侧、母线侧同时安装氧化锌避雷器，以可靠地保证设备绝缘不会因过电压而损坏。 4.2 阻容吸收装置的参数 选择过电压保护设备的主要参数应考虑以下主要问题： (1)限制截流过电压的频率，建议将其限制在1000Hz以下； (2)运行中阻容吸收装置的谐振频率避开系统中常见的谐波频率； (3)对运行中的阻容吸收装置的谐振频率加必要的阻尼，以防止扰动激发阻容吸收装置与电抗器的电感产生谐振造成过高的过电压； (4)阻容吸收装置应能够保证长期运行； (5)阻容吸收装置的绝缘水平应与系统的绝缘水平相一致； (6)避雷器的参数应能够保护设备的绝缘。 4.3 阻容吸收装置主要参数的计算方法 根据谐振公式(式2)和实例一，电抗器的电感参数可以确定，谐振频率1000Hz的电容量为0.48F，考虑电容器的参数有5%的误差，可选 取的电容量为O.504F，取整后为0.5F，再加上90m，3150mm2双电缆的电容量0.0504F，使用0.5F电容的实际谐振频率为931Hz，可以很好的避开系统常见的17次以下的谐波。 来源:根据品质因数计算公式(式3)，选取电阻值R=40时，Q=7.76，考虑系统中的偶次谐波最高含量3.2%，奇次谐波最高含量1.6%，则电容、电抗器上的最高电压为U(1+0.0327.76)pu=1.25pu(选用偶次谐波的百分数进行计算)；实际的系统中并没有如此高的谐波含量，且正好与电抗器-RC回路谐振，故选择R=40的电阻即可达到阻尼的目的。此时电容的极间工作电压应考虑采用1.3pu及以上的电压。电阻的额定电流应采用1.3倍的电容正常工作电流。适用的推荐参数见表3。 5 结论 (1)真空断路器投切并联电抗器的操作过电压主要由真空开关截流引起； (2)真空断路器切并联电抗器时有时复燃过电压水平高于截流过电压水平； (3)阻容吸收装置对真空断路器投切并联电抗器的操作过电压有很好的抑制效果。 6 建议 (1)建议在使用真空断路器投切并联电抗器时，选择不易发生重燃、截流值小的断路器； (2)真空断路器投切10kV,6000kvar并联电抗器时应在已有的过电压保护措施的基础上，在电抗器侧和母线侧同时加装阻容吸收装置，推荐值为R=40，C=0.5F； (3)建议进行现场投切试验以检验真空断路器投切并联电抗器时的重燃几率、过电压水平。随着电力系统电网的不断扩大，为了保证系统稳定运行和供电质量，电网中、特别是在枢纽变电所，其低压侧均装设了用于无功调节的电抗器组。这种设备，出于其调节功能的需要，通常是投切频繁，同时，受安装场地等客观因素的影响，在其开断设备的选择上，具有灭弧能力强、触头损耗小、开断次数多、维护少、检修周期长等优点的真空断路器，成为设计优选方案。电抗器属于储能元件，在运行操作过程中，由于其工作状态发生变化，可能产生数倍于电源电压的操作过电压。真空断路器是采用真空作为灭弧介质，在开断电抗器时，其操作电压产生的机理和类型，与油断路器有所不同。 信息来自:输配电设备网 1 产生操作过电压的原因 真空断路器开断电抗器时，操作过电压一般可分为：截流过电压、三相同时截流过电压和高频重燃过电压三种。另外，由于断路器的制造工艺问题，在合闸时发生弹跳，引起操作过电压的情况则更为复杂。 信息来源: 电抗器开断等值电路见图1： 图中 Ls电源等值电感，Cs母线对地杂散电容，Lk母线至电抗器联线的电感，K真空断路器，L电抗器电感，C电抗器侧全部联线及设备对地电容等效值 (1)截流过电压。 信息来自: 产生的原因是因真空断路器灭弧能力强，在开断电抗器时，可能在电流到达零点之前发生强制熄灭，这就是断路器的截流。此时有大的电流变化率 而电抗器侧压降UL=L ，即形成过电压。 影响截流过电压大小的因素，根据理论计算，截流过电压倍数Kn可用下式表出： 式中 m磁能转化为电场能的损耗系数，小于1 fo自振频率，大小为2 f工频 50Hz 信息来源: 截流相角 由此可见，影响过电压倍数的两个主要因素为： a.电抗器电感的大小及外部联线与电气设备的杂散电容大小; b.截流角度，当90，即电流在接近峰值处被截断，过电压倍数达最大值，过电压现象最为严重。 对于真空断路器而言，其截流水平也直接影响操作过电压倍数，而截流水平又与真空灭弧室的制造工艺及断路器服务对象有关。强灭弧能力的真空断路器，在开断小电流时，截流过电压产生的机率较高，对于大电流负载则可能不会产生明显的影响。 (2)三相同时截流过电压。 从物理角度而言，图(1)中，断路器K开断后，L、C电路中定会产生高频率的能量振荡。在截流初始，恢复电压因高频振荡上升较快，此时断路器触头间抗电强度有限，触头间易发生电弧重燃，电容C上的电荷就要通过CLkCs回路进行高频放电，该高频电流过零时，电弧又熄灭，接着又可能多次出现重燃又熄弧的过程。所以在某些情况下，如开断感性小电流时，触头间的重燃相当于自动的放电间隙，限制了过电压幅值。另一方面，当电抗器与断路器通过三相电缆联接时，其电缆芯线间有相间互电容和互电感，使得当一相开断截流而产生过电压和重燃时，其暂态高频电流通过电磁耦合至其它两相同时感应出一个高频电流。该高频电流与原有的工频电流叠加，其结果可使两相电流瞬间过零而被截断。对于50Hz的工频而言，上述高频振荡过程极快，可视为三相同时截流，即在三相中同时产生截流过电压，且在后两相中的截流值可能很大，从而产生很高的过电压。 (3)高频重燃过电压。 信息来自: 此处讨论的高频重燃过电压，是基于真空断路器切断较大电流且并未发生截流时出现的多次重燃。 根据图1，当工频电流过零时，真空断路器开断熄弧，电容C即向电感L放电，开始振荡，触头间出现恢复电压Uh，当电压等于断路器恢复强度时，发生第一次重燃;当振荡电压第一次达到幅值时，其值应为U1=Em (电源电势)+Uh，此时振荡电流第一次过零，再次熄弧，但电流值已非初次开断时的零值，即高频电流幅值大于工频电流瞬时值。如此反复，振荡电流不断升高，振荡最高电压不断加大，过电压可达极高幅值。虽然振荡必将衰减至稳态值，但已可能对设备绝缘产生严重危害。 信息请登陆:输配电设备网 2 抑制操作过电压的措施 信息来源: 由上文分析可知，对电抗器操作过电压的抑制措施，主要从降低过电压出现的机率、抑制过电压幅值和降低过电压陡度等几方面入手，具体措施总结如下： (1)采用低电涌真空灭弧室断路器： 由于真空断路器开断电抗器时，必然带来截流过电压问题，且电抗器的损耗相对较小，对减小过电压不利，因此在选用合分设备时，应注意考虑断路器的截流性能，选取低截流值的真空断路器;若截流值太高，应考虑在断路器上加装并联电阻，从而达到合理选择设备参数，降低过电压出现机率的目的。 (2)采用避雷器： 选用金属氧化物避雷器，具有理想的伏安特性。它不仅能防止雷电引起的外部过电压，而且能抑制因开断电抗器引起的内部操作过电压。因为在正常运行低电场强度下，其电阻率为10101011