（机械电子工程专业论文）同步真空开关的相关理论及其应用研究.pdf

摘要 摘要 同步开关( 相控开关) 技术能有效减少高压开关合闸涌流和过电压，消除 分闸重燃过电压，提高开关的开断能力和系统稳定性，改善用户电能质量，成 为了近年来开关智能化的研究热点之。本文在同步真空开关的相关理论及其 在故障电流同步分断和并联电容器组同步投切应用方面进行了比较系统深入 的研究，推动同步真空开关在我国电力系统中的应用。 同步操作要求开关的分、合闸时间稳定和分散性小。本文首先在比较中压 系统传统的弹簧机构和电磁操动机构的基础上，对基于永磁操动机构和电子控 制的真空开关的控制特性、控制精度和可靠性进行了分析。分析表明，电子操 动的永磁机构结构简单，动作快，操作时间稳定，响应时间可控，能够实现开 关在所希望的相位动作，为同步真空开关的实现提供了必要的条件。 短路电流的同步开断可以大大提高真空开关的实际开断能力，延长其电寿 命。现有的真空电弧理论很少涉及大电流短间隙真空电弧。本文对真空开关同 步开断特有的短真空间隙的介质恢复进行理论分析，应用金属蒸汽密度模型和 不同的间隙边界条件，得到了燃弧时间和触头丌距与金属蒸汽密度和介质恢复 时间的关系；分析结果表明短燃弧时间可以减少燃弧期间输入触头系统的电弧 能量，有利于缩短真空间隙的介质恢复时间，减少开关触头的电磨损。参考国 外研究结果，通过开断试验得到商用1 2 k v 2 5 k a 真空开关开断额定短路电流不 发生重燃对应的临界燃弧时间为2 5 m s ，临界开距为3 2 m m ，为真空开关同步 分断的控制系统设计提供实验依据。 在实现短路电流同步分断时，要求控制系统对故障电流进行准确检测、对 故障相作出快速判断、及时给出分闸触发信号。为了保证故障电流下的测量准 确度，本文设计了一种瓶型的印制电路板( p c b ) 罗哥夫斯基电流传感器检测 故障电流，并对传感器的稳态和暂态特性进行了测量和仿真分析，结果表明 p c b 罗哥夫斯基电流传感器满足故障电流快速、准确检测的要求。在故障判断 方面，本文采用了基于暂态分量快速检测系统故障的方法，并对设计的故障快 速检测单元的暂态特性进行仿真分析，所设计的故障检测单元能够在故障发生 后1 m s 内判断故障的出现，满足故障电流同步分断的要求。另一方面，分闸信 号的快速、准确给出要求控制系统根据采集的故障信号快速提取短路电流参 数。因此，本文提出了变步长自适应神经元提取故障电流参数的方法。仿真结 果表明，自适应神经元能够在半个工频周期后实现对短路电流的快速跟踪，从 而预测短路电流开断过程中电弧熄灭的电流过零时刻，控制开关触头在最佳燃 弧区间分离。 并联电容器组的同步投切是同步丌关技术主要应用之一。本文分析了电力 系统三相电容器组的连接方式和参考信号的选择对电容器组同步投切策略的 人j 主理丁人学博。i j 学位论义l 司步真守开关的相关理论硬其应用研究 影响，并给出了相应的并联电容器组同步关合和同步切除策略。电容器组同步 投切能否获得预期效果主要取决于参考信号零点检测精度和开关分、合闸时i 训 稳定性。本文提出了用f i r 数字滤波器提取参考信号零点的方法，仿真和实验 结果表明参考信号零点检测误差小于01 m s 。控制电压、环境温度变化和开关 磨损、老化是造成开关操作时间变化的主要因素，本文采用自适应补偿算法减 少开关操作时间变化产生的同步控制误差，并实现开关实际操作时间的预测。 开关预击穿和操作时间的变化使得电容器的投入并不出现在电压零点时刻，从 而产生较高的合闸涌流和过电压。因此，本文建立数学模型给出了根据同步开 关的关台特性和操作时间统计特性选择最佳目标相位的方法。 最后，在电容器组同步投切理论分析的基础上，本文研制开发了基于数字 信号处理器d s p 的中压无功电容器组投切同步真空开关样机。实验结果表明 该样机能实现同步关台和同步切除，同步控制误差小于1 m s 。 关键词：同步开关；涌流；过电压；永磁机构；电子操动；故障电流 短真空间隙；自适应神经元；最佳相位；关合特性；控制精度 a b s t r a c t s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g ，a l s oc a l l e dp h a s i n gs w i t c h i n g ，i su s e dw i d e l yi ne l e c t r i c p o w e rs y s t e m t oc o n t r o la n dr e d u c es w i t c h i n gt r a n s i e n t s ，i n c r e a s et h ei n t e r r u p t i n g c a p a c i t y o f s w i t c h e s ，i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y o fe l e c t r i c p o w e rs y s t e m a n d c u s t o m e rp o w e rq u a l i t y m a n yp e o p l eh a v ep a i d a t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o f s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g i n o r d e rt o a p p l y t h e t e c h n i q u e o f s y n c h r o n o u ss w i t c h i n gi no u rc o u n t r y ，s o m et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h w o r k so nt h ef u n d a m e n t a lo fs y n c h r o n o u sv a c u u ms w i t c h e sa n di t sa p p l i c a t i o no f s y n c h r o n o u si n t e r r u p t i o ns h o r t c i r c u i tc u r r e n t sa n ds y n c h r o n o u ss w i t c h i n gs h u n t c a p a c i t o rb a n k sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r s y n c h r o n o u ss w i t c h i n gr e q u i r e st h a to p e r a t i n gt i m e so fs w i t c h e sr e t a i ns t a b l e i nl o n gt e r ma n dh a v es m a l lm e c h a n i c a ls c a t t e r s f i r s t l y ，b a s e do nt h ec o m p a r e s w i t ht h ec o n v e n t i o n a ls p r i n go re l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o r s ，s ，n c h r o n o u sv a c u u m s w i t c hw i t hp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ( p m a ) a n de l e c t r o n i cc o n t r o li sp r o p o s e d a n ds o m ea n a l y s i so fi t sc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c ，c o n t r o la c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t ya r e p e r f o r m e d p m aw i t he l e c t r o n i c c o n t r o lh a ss o m ea d v a n t a g e si n c l u d i n gs m a l l e r n u m b e ro fm e c h a n i c a lm o v a b l ep a r t s ，s t a b l e o p e r a t i n g t i m e sa n dc o n t r o l l a b l e m o t i o no ft h ep o l e s p m aw i t he l e c t r o n i cc o n t r o lc a ne n s u r et h ec o n t a c t sa l w a y s c l o s eo ro p e na tt h e e x p e c t e d i n s t a n ta n dp r o v i d ef o u n d a t i o nf o ri m p l e m e n t i n g s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g s y n c h r o n o u si n t e r r u p t i o n o fs h o r tc i r c u i tc u r r e n t sc a ni n c r e a s et h ea c t u a l i n t e r r u p t i n gc a p a c i t ya n de l e c t r i c a ll i f e t i m eo f v a c u u ms w i t c h l e s sr e s u l t so fs h o r t g a p v a c u u ma r c sw h e n i n t e r r u p t i n g f a u l tc u r r e t sh a v e b e e n p r e s e n t e d i nt h e e x i s t i n g t h e o r i e so fv a c u u ma r c s s o ，t h e a n a l y s i s o ft h ed i e l e c t r i c r e c o v e r y c h a r a c t e r i s t i co fs h o r tv a c u u mg a pw h e n s y n c h r o n i z e db r e a k i n g s h o r tc i r c u i t c u r r e n t si s p e r f o r m e d ，a n dav a p o rd e n s i t ym o d e li sa p p l i e du n d e rt h es p e c i a l b o u n d a r yc o n d i t i o n st og e ts o m er e l a t i o n sb e t w e e na r c i n gt i m ea n dv a p o rd e n s i t y ， t h ed i e l e c t r i c r e c o v e r yt i m e a n dt h ea n a l y s i s r e s u l t ss h o ws h o r t a r c i n gt i m e s c o r r e s p o n d i n gs h o r tv a c u u mg a pc a nr e d u c ea r c i n ge n e r g yt h ec o n t a c ti ss u b j e c t e d t o ，d e c r e a s et h er e c o v e r yt i m ea n dm i n i m i z ec o n t a c te r o s i o n a n das e r i e sb r e a k i n g t e s t e dh a v eb e e np e r f o r m e da n dt h et e s tr e s u l t ss h o wac r i t i c a lt i m eo f2 ，5 m sa n d t h ec r i t i c a lg a pd i s t a n c eo f3 2 m mf o rac o m m e r c i a li n t e r r u p t e r ( 1 2 k v 2 5 k a ) ，w h i c h c a np r o v i d es o m ee x p e r i m e n t a lp r o o f sf o fi m p l e m e n t i n gs y n c h r o n o u s s w i t c h i n go f s h o r tc i r c u i tc u r r e n t s i ti si m p o r t a n tf o rs y n c h r o n o u si n t e r r u p t i o nt oh a v ea c c u r a t em e a s u r e m e n t f a s t d e t e c t i o no ff a u l tc u r r e n t sa n df a s td e t e r m i n a t i o no ft h eo p t i m a lt r i p p i n gm o m e n t an o v e lp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) r o g o w s k ic o i lc u r r e n tt r a n s d u c e ri s d e s i g n e d n i 查垄堡三盔芏竺! 堡兰 型生塞主堑苎堕塑差些堡丝些生旦塑壅一一一 t om e a s u r ef a u l tc u r r e n t s a c c u r a t e l y a n di t s s t a t i ca n dt r a n s i e n t r e s p o n s e p e r f o r m a n c e s a r em e a s u r e da n ds i m u l a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h et r a n s d u c e r d e s i g n e d c a n s a r i s f y t h e r e q u i r e m e n t s o f s y n c h r o n o u si n t e r r u p t i o n f o r s y n c h r o n o u ss h o r tc i r c u i ti n t e r r u p t i o n ，t h ef a s t d e t e c t i o no ff a u l tc u r r e n ti sak e y i s s u e af a s td e t e c t i o nu n i t b a s e do nt r a n s i e n t c o m p o n e n t s i s d e s i g n e d a n d s i m u l a t e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ed e t e c t i n gt i m ec a nb el e s st h a n1m s i n o r d e rt o p r o v i d e af a s td e t e r m i n a t i o no fo p t i m a l t r i p p i n g i n s t a n tt oa c h i e v e m i n i m a lc o n t a c te r o s i o n ，aq u i c kd e t e c t i o na p p r o a c hb a s e do nl i n e a ra d a p t i v e n e u r o n sc a l l e da d a l i n ef o r f a u l tc u r r e n t p a r a m e t e r s a n dt h em o m e n to fa r c e x t i n g u i s h i n ga tc u r r e n tz e r oi sp r e s e n t e d s y n c h r o n o u se n e r g i z i n go rd e e n e r g i z i n gs h u n tc a p a c i t o rb a n k si s o n eo ft h e m a i na p p l i c a t i o n so fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n g t h ee f f e c t so ft h ec o n n e c t i o no ft h r e e p h a s e s s h u n t c a p a c i t o r b a n k sa n dt h es e l e c t i o no ft h er e f e r e n c e v o l t a g e o n s y n c h r o n o u sc o n t r o lt a c t i c sa r ei n v e s t i g a t e da n dt h es y n c h r o n o u ss w i t c h i n gt a c t i c s a r ep r e s e n t e d w h e t h e ro rn o to b t a i n i n ge x p e c t e de f f e c t so fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n g s h u n tc a p a c i t o rb a n k sm a i n l yd e p e n d so nt h ed e t e c t i o na c c u r a c yo fz e r op o i n t so f t h er e f e r e n c es i g n a la n dt h ec o n s i s t e n c yo fo p e r a t i n gt i m e so fc i r c u i tb r e a k e r s ，s o i ti si m p o r t a n tt om i n i m i z et h ec o n t r o le r r o rc a u s e db yt h er e f e r e n c ep h a s ea n dt h e v a r i a t i o n so fo p e r a t i n gt i m e s af i rf i l t e ri su s e dt od e t e c tt h ez e r oc r o s s i n gp o i n t o ft h er e f e r e n c es i g n a la n dt h ed e t e c t i o ne r r o ri sl e s st h a n0 1 m s a na d a p t i v e c o m p e n s a t i o na l g o r i t h m o fr e d u c i n gt h ec o n t r o le r r o rd u et ot h ev a r i a t i o n so f o p e r a t i n gt i m ec a u s e db yc h a n g e so ft h e c o n t r o l v o l t a g e ，a m b i e n tt e m p e r a t u r e ， c o n t a c tw e a ra n dl o n gt e r ma g i n gi s p r o p o s e d i nf a c t ，i n a l m o s ta l lc a s e s ，t h e m a k i n gi n s t a n td o e sn o t c o i n c i d ew i t ht h ep r e d e f i n e d t a r g e t i n s t a n tb e c a u s e 。o f p r e s t r i k ea n dt h es c a t t e ro fm e c h a n i c a lc l o s i n gt i m e s oam a t hm o d e li sg i v e nt o d e t e r m i n et h eo p t i m u ms w i t c h i n gt a r g e tu s i n gt h ec l o s i n gc h a r a c t e r i s t i co fs w i t c h a n dt h es t a t i s t i c a ld e v i a t i o no ft h eo p e r a t i n gt i m e f i n a l l y ，a n o v e l s y n c h r o n o u sv a c u u ms w i t c hd e v i c e b a s e do nd s pf o rm v r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o rb a n k si s d e v e l o p e dt oc o n t r o la n dr e d u c e s w i t c h i n g t r a n s i e n t s s o m e e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h ed e v i c ec a nr e a l i z e s y n c h r o n o u sc l o s i n ga n ds y n c h r o n o u so p e n i n ga n dt h es y n c h r o n o u sc o n t r o le r r o r i sl c s st h a nl m s k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g ；i n r u s hc u r r e n t ；o v e r v o l t a g e ；p e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o r ；e l e c t r o n i cd r i v e ；f a u l tc u r r e n t ；s h o r tv a c u u mg a p ； a d a p t i v en e u r o n ；o p t i m u mm a k i n gp h a s e ；c o n t r o lp r e c i s i o n i v 绪论 第一章绪论 1 1 高压开关的智能化是电力系统发展的需要 随着电力系统和现代工业的发展，大电网互联和跨国互联同益发展，单机 容量不断增大，低阻抗、大容量变压器在现代低压配电系统中的应用不断增长 以及配电网络的不断发展，使电力系统的短路容量有日益增加的趋势，据估计， 金沙江电站送电后所在的5 0 0 k v 主网短路电流可能超过5 0 k a ，上海一些5 0 0 k v 变电所的短路电流将超过6 3 k a ，而三峡电站建成后可能的最大短路电流将超 过1 0 0 k a 。“。短路故障发生后可能产生严重后果： 1 )通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件寿命缩短甚 至损坏，所燃起的电弧容易造成火灾； 2 ) 短路电流通过菲故障元件，由于发热和电动力效应，引起非故障元件的 损坏和缩短它们的使用寿命； 3 )破坏系统的并列运行稳定性，引起系统振荡甚至系统瓦解和崩溃； 4 )不对称短路导致的不平衡电流，会在附近的平行线路内感应出较高的电 动势，干扰通信线路并危及设备和人身的安全。 电力系统短路容量的增加，将使运行中的电力开关设备的短路容量逐渐与 系统的短路容量不匹配，因此必须提高运行电力开关设备的短路丌断容量，从 而提高电网的安全性和可靠性。真空开关作为中压领域广泛使用的电力开关， 提高其开断容量和开断能力具有重要的现实意义。 对于给定的真空开关，其触头结构和触头材料已经确定，开关的开断能力 主要受电弧形态、输入间隙的电弧能量w 。和电弧熄灭时触头开距d 的影响。 s c h u l m a n 和z a l u c k i 等人利用外加纵向磁场的方式和触头背面设置线圈产生纵 向磁场的方式进行真空电弧电流开断性能试验，通过高速摄影机对真空电弧形 状的摄取研究燃弧期间电弧形状的变化，研究发现从触头分开到扩散型真空电 弧形成的时间主要受开关触头分离瞬时电流影响f 4 。】。因此，开断给定的故障 电流时，电弧形态与触头分离相位紧密相关，从而控制开关触头的分离时刻可 以保持燃弧期间真空间隙电弧为扩散型电弧。h u b e r 和k a u m a n n s 等利用合成 试验回路研究开断电流幅值对真空间隙介质恢复影响，并根据测量的弧后电流 和电压建立数学模型和计算机仿真研究分析，燃弧期间输入真空嵋j 隙的电荷量 q p f 强烈影响弧后电流i p a c 的幅值和持续时间r ，即电流过零电弧熄灭时，开 关触头对燃弧期间的转移电荷量具有“记忆效应”i s - t 3 】。l e u s e n k a m p 和 b i n n e n d j k 根据开断试验数据，研究分析了真空开关的开断能力与燃弧期间输 占堡型王鑫耋坐， j 耋垡重塞型堡基至垂羞墼垫羞些鎏丝l 些星堑鎏 入间隙电弧能量w 。，。和电荷转移量q p f 的关系：即对于给定类型( 触头结构和 触头材料) 的真空开关，其最大短路开断能力由对应的临界燃弧能量w 。 和临界电荷转移量q p f 。决定【1 4 ”j 。因此真空开关的开断能力除了取决于 开关触头结构和触头材料外，更重要的是受故障电流开断过程中电流过零电弧 熄灭时的触头开距和燃弧时间的影响。p s u n 和j k a u m a n n s 在改变燃弧时间 和间隙开距条件下进行开断试验，研究了燃弧时间对真空开关开断能力的影 响，并获得了保证分断的最小燃弧时间和某一恢复电压下扩散电弧后的临界开 距l i “”j 。因此，对于给定的真空开关，控制开关触头的分离相位( 对应电流 过零电弧熄灭时的间隙开距) 可以有效提高开关的开断能力，减少开关输入电 弧能量，从而减少触头烧损和延长开关寿命。这就引出开关动作的相位控制思 想，我们称之“相控开关”或“同步开关”。图1 1 为真空开关同步开断故障 电流的原理。 图1 1 短路电流同步开断原理 真空开关同步开断故障电流时，控制开关触头在t l 时刻开始分离，在t 2 时刻电流过零电弧熄灭，对应的间隙开距为，。，燃弧时间为t a r e = t 2 t i 。从真空 开关同步分断短路电流的基本原理可知，真空开关的电弧工作在短间隙状态， 短间隙真空电弧是真空开关同步开断故障电流的特点之一。虽然，近年来国外 一些学者开始研究短间隙真空电弧但他们研究的侧重点是弧后短真空间隙介 质强度恢复和高频重燃现象，以及由此引起的过电压等问题上 18 - 2 3 】，并没有对 大电流特别是短路电流开断后短真空间隙的绝缘介质恢复特性进行研究。真空 开关同步开断的理论分析应包括三个方面的内容1 2 4 】： ( 1 ) 确定预击穿或可耐受额定恢复电压的临界开距，后者对应电流过零触头 间保证不重燃所需的临界开距； ( 2 ) 保证电弧扩散的最大起始电流，对应最大理想燃弧时间； ( 3 ) 电弧一旦发生起始集聚，转变到扩散形态的时刻及所需要的恢复时间。 一! 笪! 垒；：= = ：= = = = = = = = 一 1 2 开关操作暂态现象及抑制方法 1 ，2 1 投切容洼负载的涌流和过电压 投切空载线路的过电压 在电力系统中，投切空载长线是系统常见的操作，通常分为两种情况：即 正常合闸和自动重合闸。空载线路合闸时，产生过电压的根本原因是线路分布 电容、电感的振荡。其振荡电压叠加在工频稳态电压上所致。 在正常合闸操作时，线路上没有接地故障，线路各点电压由零值过渡到考 虑电容效应后的工频稳态电压值。由于线路损耗，由工频稳态电压分量和无限 多个逐渐衰减的高频分量组成的振荡电压通常为1 7 1 9 倍( p ，u ) 。而对于发 生接地故障的合闸操作，即自动重合闸，由于当电力开关在电流过零时电弧熄 灭，非故障相将留有残余电压，假定为u m ：若0 5 s 后，开关自动重合闸，线 路上u m 没有泄漏衰减，并在电源正极性最大值时线路重合，于是非故障相线 路上各点要从u m 过渡到考虑电容效应后的工频稳态值，在此振荡过程中，线 路中会出现接近3 p u 的暂态过电压。 另一方面，切除空载线路也是电力系统中常见的操作之一。在切除空载线 路时，电力开关切断的是较小的容性电流，通常为几十安培到几百安，比短路 电流小得多。然而，在分闸初期，由于电力开关触头间恢复电压u t r v 上升速 度可能超过开关介质恢复强度的上升速度，造成间隙击穿，电弧重燃，从而引 起电磁振荡。从理论上分析，切除空载线路开关发生重燃产生的操作过电压可 达到很高的数值。电源电压按正弦规律变化，若每隔半个工频周期开关燃弧一 次和熄弧一次，过电压将按3 u m ，+ 5 u r n ，7 u m ，逐次增加，直到触头间隙 已有足够的绝缘强度，电弧不再重燃为止。开断空载线路时产生较高的操作过 电压，危及电气设备的安全运行和电力系统的稳定性，因此必须采取限制过电 压措施。 投切并联补偿电容器组涌流和过电压 在我国，用投切电容器组来改善电网功率因素和电压质量的办法在中压等 级广泛采用。电容器在投入系统时会产生幅值和频率都很高的涌流。对于单相 电容器组关合时产生涌流倍数为 2 5 1 ： 枷再 ， 式中，p d 为电容器组安装处电力系统的短路容量( k v a ) ，p c 为补偿电容器 组的额定容量( k v a r ) 。在变电站中，为了运行时调节系统无功功率的方便，一 叁垄型玉奎耋竖占耋堡垒塞璺耄塞窑垂叁墼垫茎壁鎏丝些丝里堑塞 般将电容器分成几组，每一组电容器由一台电力丌关控制，从而形成电容器组 的并联连接。在关合多组并联电容器组时，产生的涌流幅值和频率远大于单组 电容器投入时的情形，这是由于并联电容器组间的位置很近，其间电感很小( 一 般为几十微亨或更小) ，从而使得已经运行的电容器组对关合电容器充电产生 很大的涌流。电力系统中，并联电容器组的投入产生的涌流一般为额定电流的 几十倍，电容器组合闸涌流对电力系统造成很大影响： 1 ) 涌流可能造成电力开关触头熔焊和烧损； 2 ) 涌流产生的电动力可能造成变压器绕组变形和损坏； 3 ) 过大的涌流还可能给电流互感器和串联电抗器造成绝缘破坏： 4 ) 幅值很高的涌流可能造成继电保护装置的误动，影响电力系统的安全性 和可靠性。 另一方面，当电网中的并联电容器组关合时，电容器组与系统电感之间产 生暂态电磁振荡，使得在电容上产生2 0 p 1 1 的暂态过电压。虽然系统负荷阻尼 的存在，暂态过电压幅值通常小于2 0 p u ，低于系统保护装置的动作阂值电压 ( 2 0 p ，1 1 以上) ，但是电力系统是个相互作用的整体，任何位置出现的暂态过程 都会在系统中传播，对其他设备产生影响。近年来，无功电容器组投切产生的 过电压造成的电压放大现象引起人们的极大关注 2 6 - 3 3 ： 1 ) 并联电容器组的合闸过电压可能导致远方变电所母线上相间电压增大， 其值可以大于4 0 p u ，而且电压波形极陡，容易导致变压器相间绝缘击穿。据 报道，国外已有7 台变压器的损坏与距其3 3 k m 以内的并联电容器组的合闸有 关： 2 ) 随着大功率电力电子技术迅速发展，由电力电子器件组成的调速驱动设 备( a s d ) 在冶金、化工等工业中得到了广泛应用。为了提高电能利用率，这些 单位的变电所一般也安装了无功并联电容器组。而a s d 对电网中的过电压极 其敏感，当过电压超过a s d 额定工作电压的1 2 倍时，就可能使调速驱动设备 不能正常工作。因此，电力系统频繁投切的补偿电容器组产生的过电压放大会 危及a d s 设备的正常工作，造成重大的经济损失。 1 2 2 投切感性负载的涌流和过电压 空载变压器的合闸涌流 电力变压器在空载合闸投入电网或外部故障切除后电压恢复时由于变压 器的非线性，会产生幅值和频率很高的励磁涌流。变压器励磁涌流主要特点为 f 3 4 3 5 1 。 1 ) 涌流含有数值很大的高次谐波分量( 主要是二次和三次谐波) 和衰减直 流分量，励磁涌流的变化曲线为尖顶波。 2 ) 励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关，饱和越深，电抗越小，衰减 越快。 3 ) 一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是 涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。 4 ) 励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的1 0 2 0 倍。 变压器励磁涌流幅值高，暂态持续时间长对电力系统稳定性和电能质量造 成严重的影响 3 6 - 4 2 1 ： 1 ) 励磁涌流可能导致继电保护装置的误动； 2 ) 幅值很高的励磁涌流产生的电动力可能造成变压器绕组变形和破坏； 3 ) 空载变压器的励磁暂态过程长，降低系统电能质量； 4 ) 励磁涌流可能引起补偿电容器组的谐振，导致补偿电容器组的烧毁。 并联电抗器开断过程的过电压 在开断感性小电流( 空载变压器和并联电抗器) 时，感性小电流相对于电 力开关能够开断的短路电流而言是微不足道的。因此，电力开关在开断感性小 电流的过程中很容易发生电流突然截断( 称之截流) ，提前过零的现象。这时， 由于负荷电感值大，电流变化率d i d t 也大，因而容易形成l c 振荡，产生截 流过电压。现代高压交压器都采用冷轧硅钢，激磁电流小，同时采用纠结式绕 组，增加了绕组电容，所以开断变压器时的截流过电压倍数一般小于2 p u 。 而对于大容量、高电压的并联电抗器开断过程产生的截流，则容易出现很高的 截流过电压，理论上过电压可达7 p u f 4 3 】。另一方面，当电弧熄灭时，若电力 开关的触头距离较小，开关两端的暂态恢复电压v t r v 上升很快，开关间隙不 能承受外部幅值很高的恢复电压，从而产生重燃，形成高频重燃过电压。对于 大容量的并联电抗器而言，重燃过电压对系统的危害比截流过电压更严重 4 4 - 4 6 。大容量、高电压并联电抗器开断过程中产生的过电压，特别是重燃过电 压，对电力系统带来的严重危害主要有： 1 ) 电抗器自身的绝缘产生破坏； 2 ) 对电抗器附近的电力设备绝缘产生破坏； 3 ) 电抗器重燃过电压和对应的涌流可能引起系统谐振； 4 ) 电抗器重燃涌流可能导致继电保护装置的误动。 因此，必须采取相应的措施对电抗器切除过程中产生的过电压进行限制和 保护系统。 1 2 3 传统开关暂态的抑制方法 合闸电阻 在高压系统中，为了抑制开关操作产生的过电压和涌流一般采用高压电力 开关加装合闸电阻的措施。带合闸电阻电力开关的原理如图1 2 所示。 图1 2 带合闸电阻的开关 f i g i 2 t h ec i r c u i tb r e a k e rw i t hp r e - i n s e r tr e s i s t o r 为了限制开关操作引起的过电压，在高压开关中增加并联电阻和辅助触头， 使开关操作按一定时序配合动作，利用电阻的阻尼作用加速振荡过程的衰减， 限制过电压的幅值。合闸电阻在一定程度上能限制系统操作过电压和减少关合 涌流，但采用合闸电阻的缺点主要有”7 - 4 9 1 ； 1 )采用合闸电阻增加了系统复杂性，降低系统可靠性； 2 ) 采用合闸电阻增加系统投资，增加的费用约为总费用的8 1 2 ： 3 )合闸电阻限压效果不稳定，分散性大； 4 ) 合闸电阻安装面积大，同时需要考虑电阻吸收系统能量和焦耳发热： 固定电抗器 对于无功并联电容器组的关合会产生很大的涌流，涌流太大会给电力开 关、电容器和附近设备造成危害，因此电力系统普遍采用串联电抗器限制合闸 涌流。一般采用带间隙的铁心电抗器，电抗器实质是电感线圈l 。因此采用串 联固定电抗器可以增加电容器组关合时的阻抗，从而有效减少合闸涌流。但采 用固定电抗器的不足之处在于： 1 )电抗器的接入，正常工作时的电容电压将升高； 2 )消耗系统能量，增加系统噪声： 3 )对于高压系统应用，增加系统投资和安装面积。 r c 阻容吸收装置 5 0 - 5 2 1 r c 阻容吸收装置的原理是利用增大被保护设备上的并联电容器的办法 来降低过电压的幅值。同时并联电容器的另一个重要功能在于它可以平缓入侵 到被保护设备的过电压波的陡度，与电容器并联的电阻r 的阻值为1 0 0 2 0 0 q 则起着释放部分能量的作用。r c 阻容吸收装踅能够抑制开关操作的高频振荡 使操作过电压降至2 p u 以下，将开关重燃过电压降至4 p u 以下。但使用r c 吸收装置的不足之处在于： 1 ) r c 吸收装置的电容器、电阻元件上有一些尖端棱角部件，如该装置安 装在尺寸紧凑的开关柜内，容易成为绝缘事故的隐患点； 2 ) 产生谐波。在大量安装r c 吸收装置的场所，电感与电容器组成的高频 振荡回路是产生三次谐波的污染源。 - 6 一 绪论 3 ) 对r c 质量要求苛刻，实际上增加了发生故障的几率。 氧化锌避雷器m o a 2 0 世纪7 0 年代日本首先研制成功电力用氧化锌避雷器( m o a ) 。对比以前 的炭化硅避雷器，m o a 具有通流容量大，残压低，响应时间快，无工频续流， 不用串联间隙，可以降低被保护设备的绝缘水平等优点，在中高压领域被广泛 用以抑制开关操作过电压【5 弘5 6 】。采用m o a 之后，可使相对地的操作过电压限 制到1 6 1 8 倍相电压，各相问的过电压限制到1 7 1 8 倍线电压。由于保护性 能的改善，可显著降低被保护设备的绝缘水平和系统成本，提高运行可靠性。 从保证电力系统安全运行和降低设备造价上看，m o a 确实具有明显的经济效 益。但是，使用m o a 的不足之处主要有： 1 ) m o a 无串联间隙，在运行中长期壹接承受电力系统运行电压的作用 泄漏电流和电场应力将使阀片逐渐产生劣化； 2 ) 密封不严，阀片在运行中容易受潮：阀片受潮后泄漏电流增大又会加剧 劣化，泄漏电流中的阻性电流分量使阀片温度上升，产生有功损耗，形 成热崩溃，严重时将导致m o a 损坏或爆炸，进而引发大面积停电事故。 1 3 智能操作高压开关的现状及意义 随着现代信息技术的飞速发展，智能化成为工业装置的发展趋势。在高压 开关领域，智能化开关发展迅速，其动力首先来自电力系统越来越高的可靠性 要求、越来越高的自动化程度和用户对电能质量的要求。现代配电和用电系统 包括供电小区或智能大厦的电气设备都要求监测、控制及保护等方面完全自动 化和智能化，开关作为重要的电力系统控制元件，其智能化则是上述智能化的 基础。 传统意义的高压开关是一个被动执行开断和关合线路的装置，其操作指令 来自人工命令或继电保护装置，开关本身并无检测、判断电力系统故障和监视 自身状态的能力。为了满足电力系统的要求，在3 0 年前，人们开始在配电系 统实践开关智能化，即在配电开关外附加智能控制器，用以自动判别线路故障， 切除与隔离故障并恢复健康区段的供电，称之为自动重合器与自动分段器。随 着微电子技术、现代控制理论和通讯技术迅速发展，越来越多的电站实现了微 机化控制与管理( 或称综合自动化) ，要求开关实现遥控、遥测、遥信和遥调 的功能。把开关设备状态反映到电站主控微机，实现整个电力系统的计算机控 制。因此，为了满足电力系统综合自动化发展要求，目前国内外开关智能化的 研究重要目的是实现开关的控制和状态监控，这种智能化开关主要实现开关外 围的有关检测、保护、控制、状态监测和通讯等功能【5 7 5 引。目前一些公司在 其新产品中运用了这类智能化技术，高压领域典型的有东芝公司的c o i s 和 a b b 公司e x k 型智能化g i s ，它们的特点是采用先进的传感器技术和微计算 大连理 = 夫学博j 二学位论文同步真窄开关的相关理论及艇应用研究 机处理技术，使整个组合电器的在线检测与二次系统在一个计算机控制平台 上：在中压领域较典型的有富士公司的智能化真空丌关，它主要包括自动保护 功能、早期维护功能和信息传递功能5 9 ”j 。这些智能技术在丌关中的应用势 必大大降低开关本身的故障率，在一定程度上提高整个电力系统自动化监控、 调度水平及供电可靠性和安全性，使高压开关在智能化方面取得重大进步。 所谓开关电器的智能化主要指开关电器实现人工智能的过程。按人工智能 的定义，智能化是指使对象具备灵敏准确的感知功能、正确的思维与判断功能 以及行之有效的执行功能而进行的工作。所以我们说，开关智能化有检测、控 制与执行三个方面的工作，前两方面的相关理论与实践都比较丰富，也取得了 显著的成效。目前的“瓶颈”问题是“行之有效的执行功能”，即操作智能化 的问题。上述开关智能化已反映了