（电气工程专业论文）真空开关操作电容器组引起的过电压及其抑制.pdf

华北电力人学j ：科硕士学位论文摘要 摘要 真空开关在丌断并联电容器组时可能产生重击穿过电压，对设备绝缘造成严 重威胁。本文利用电磁暂态计算程序( e m t p ) 对上述过电压进行了仿真计算研 究并和试验进行了对照：同时，基于m o a 多指数模型如何使用m o a 来对过电 压进行限制；基于l r 阻尼原理探讨了使用l r 装置限制过电压的可行性；并得 出了以上保护装置的参数确定方法。 关键词：真空丌关，操作过电压，保护，并联电容器组 a bs t r a c t w h e nv a c u u ms w i t c h e ss w i t c ho i j fs h u n tc a p a c i t o r s r e s t r i k i n go v e r v o l t a g em a y b eb r o u g h ta b o u ta n dt h r e a t e ni n s u l a t i o no fe q u i p m e n t ss e v e r e l y i nt h i st h e s i sw eu s e e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ( e m t p ) t os i m u l a t ea n ds t u d yt h i so v e r v o l t a g e ， a n ds t u d yh o wt ou s em o at or e d u c ei tb a s i n go nm u l t i e x p o n e n t i a lm o am o d e l a t t h es a n l et i m e ，b a s e do nl rd a m p i n gp r i n c i p l e ，r e s e a r c h e sa r em a d eo nt h ef e a s i b i l i t y o fr e s t r i c t i n go v e r v o l t a g eb vl rd e v i c e t h u sm e t h o d so fe n s u r i n gt h ep a r a m e t e r so f t h e s ed e v i c e sa r ec o n c l u d e d z h o uy u y o n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ：v a c u u ms w i t c h ，s w i t c h i n go v e r v o l t a g e ，p r o t e c t i o n ，s h u n t c a p a c i t o r 华北电力人学j ：科硕士学位论文摘要 摘要 真空开关在丌断并联电容器组时可能产生重击穿过电压，对设备绝缘造成严 重威胁。本文利用电磁暂态计算程序( e m t p ) 对上述过电压进行了仿真计算研 究并和试验进行了对照：同时，基于m o a 多指数模型如何使用m o a 来对过电 压进行限制；基于l r 阻尼原理探讨了使用l r 装置限制过电压的可行性；并得 出了以上保护装置的参数确定方法。 关键词：真空丌关，操作过电压，保护，并联电容器组 a bs t r a c t w h e nv a c u u ms w i t c h e ss w i t c ho i j fs h u n tc a p a c i t o r s r e s t r i k i n go v e r v o l t a g em a y b eb r o u g h ta b o u ta n dt h r e a t e ni n s u l a t i o no fe q u i p m e n t ss e v e r e l y i nt h i st h e s i sw eu s e e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ( e m t p ) t os i m u l a t ea n ds t u d yt h i so v e r v o l t a g e ， a n ds t u d yh o wt ou s em o at or e d u c ei tb a s i n go nm u l t i e x p o n e n t i a lm o am o d e l a t t h es a n l et i m e ，b a s e do nl rd a m p i n gp r i n c i p l e ，r e s e a r c h e sa r em a d eo nt h ef e a s i b i l i t y o fr e s t r i c t i n go v e r v o l t a g eb vl rd e v i c e t h u sm e t h o d so fe n s u r i n gt h ep a r a m e t e r so f t h e s ed e v i c e sa r ec o n c l u d e d z h o uy u y o n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ：v a c u u ms w i t c h ，s w i t c h i n go v e r v o l t a g e ，p r o t e c t i o n ，s h u n t c a p a c i t o r 士：n明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文真空丌关操作电容器组引起的 过电压及其抑制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电 力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期：) 枷孓三生7 7 丝驾 勾一= 邋珥 华北电力人学一i ：群硕七学位论文 第一章绪论 1 1 真空开关概述 真空开关是在一种在真空中进行电流丌断的丌关设备，真空极为优异的绝缘性能和 灭弧能力为真空丌关带来了一系列优点： 1 体积小、重量轻。 2 寿命长，维修工作量小，适于频繁操作。 3 安全、无污染。 4 操作功小，操作时振动小、噪声小。 真空开关在中压等级能很好的满足用户的需要，已经成为最有前途的开关设备，是 我国中压领域开关无油化的替代产品，绝大多数电容器组的操作是通过真空开关来完成 的。 1 2 真空开关操作电容器组过电压问题研究的必要性 随着电网容量的迅速增大，并联电容器总装容量及单组容量亦越来越大，随着电能 质量要求的提高，电容器操作越来越频繁。而真空开关在丌断电容器过程中一旦发生重 燃，容易产生重燃过电压，过电压幅值较高，容易对设备绝缘造成危害，因其操作频繁 产生过电压乃至引发的绝缘事故时有发生，在国内外其他地方，类似事件也曾发生过， 以现阶段技术水平，要丌关不发生重击穿还很困难，因此，在我厂厂用电建设设计中研 究真空丌关操作电容器组所产生的过电压以及采用合适的过电压保护措施就显得很有 必要，本选题具有重要的理论意义和实用价值。 1 3 并联电容器组操作过电压及现行保护特点 并联电容器的运行条件严酷，始终工作于额定电压和额定出力状态，贮能大，场强 高，但电容器极间绝缘相对较弱，因中性点不接地，断路器断口恢复电压很高；且由于 电容量大，开断后剩余电压的衰减亦十分缓慢，即使有专用放电线圈，电容器上电压维 持初始电压9 0 以上的时间也可达1 0 余周波，若仅靠电容器内放电电阻，则如此高的电 压将维持数秒，加大了重击穿的可能性。 现行标准规定：电容器组应使用无重击穿丌关，但实际上并不存在“无重击穿丌关”。 大量试验数据证明：国产i o k v 及以下真空开关重击穿率约( 2 - - 4 ) ，经老练后可降至 1 以下，3 5 k v 真空开关的平均重击穿率可达( 5 1 0 ) ，由于真空丌关操作频繁，每年 就有数百至上千次的操作，因此重击穿过电压仍是不可忽视的安全问题。 大量试验证明，真空开关开断电容器时的重击穿有以下几个特点： ( 1 ) 真空开关虽也有重击穿于过开断后数十甚至数百m s 后的峰值附近，但仍以最 大峰值附近的概率占大多数，故应按最大过电压考虑电容器装置的安全问题。 华北电力人学i ：程硕十学位论文 ( 2 ) 单相重击穿出现的概率较两相重击穿和多次重击穿的大得多。 ( 3 ) 两相重击穿的概率虽然很小，但对电容器组危害更大( 极间过电压很大) 。 目前，我国大多使用氧化锌避雷器( m o a ) 作为电容器保护，在配置m o a 时很少实 际计算或进行试验验证过电压的大小，而是按照经验进行保护配置，一般接成i 型接线， 均为三相接地，接于中性点的l 型接线用的少一些，这两种m o a 接线形式都可保护单相 重击穿引起的相地过电压，但对极问过电压没有保护作用；另外并接于电容器两端保护 极间绝缘的y 型m o a 在我国应用不多，y 型m o a 对极地和极间过电压均有一定的保护作 用，但效果并不十分理想。应用m o a 保护电容器的另一大难题是m o a 需要很大的通流容 量。 1 4 论文所研究的内容及完成情况 本文针对真空开关操作并联补偿电容器组产生的过电压和保护措施进行研究，以期 为限制过电压的产生，减少过电压事故的发生。 经过近一年的努力，在导师的指导及一些专家的帮助下论文完成情况如下： 1 结合本厂电气一次系统设计方案实例，对真空开关丌断并联电容器组时在正常 工作、电源侧单相接地故障、电容器侧单相接地故障三种情况下可能出现的1 1 种重击 穿方式下的过电压进行了全过程仿真计算研究。 2 、将真空开关开断并联电容器组过电压仿真结果和实际投切电容器组试验结果进 行了对比，验证了仿真的正确性。揭示了各种重击穿方式之间的联系及影响重击穿过电 压的因素。 3 深入研究了m o a ( 氧化锌避雷器) 模型，并对使用m o a 限制重击穿过电压和多次 重燃过电压的方法进行了深入分析，对其保护效果进行了计算验证并研究了其能量吸收 情况，最终为我厂将要建设的电容器组保护选择了有效的保护方案。 4 、深入研究了r c 装置原理和l r 装置原理，并讨论了将其应用于真空开关投切电 容器组过电压的防护的可行性。 华北电力人学i ：群硕十学位论文 第二章真空开关开断特性 2 1 真空开关的开断原理 真空开关开断时触头间将出现真空电弧，只有电弧熄灭后真空间隙成为绝缘介质， 开断才真正结束。开断过程中电弧由导体向绝缘体的过渡过程称为介质强度恢复过程， 主要由开关特性决定。开断过程中触头两端电压的增长过程称为恢复电压增长过程，主 要由电路参数决定。真空开关的作用就在于控制真空电弧并加速其介质强度恢复过程。 介质强度恢复过程和恢复电压增长过程互相影响，如果介质强度一直高于恢复电压，则 电弧熄灭，真空间隙恢复为绝缘介质，丌断成功。否则真空间隙将被击穿，电弧再次出 现，称为重燃。 2 2 真空电弧理论 2 2 1 真空电弧 如图2 1 所示，真空电弧由三部分组成：阴极 电位 区、弧柱区和阳极区。真空电弧有两种显著不同的 形态，即小电流下的扩散型真空电弧和大电流下的 阱撅区 集聚型真空电弧。 区 一小电流真空电弧 圈2 一l ：真空电弧 电流值在数千安培以下的真空电弧都属于小电 流真空电弧。小电流真空电弧具有电流密度和能量密度都十分密集的阴极斑点，从阴极 斑点大量蒸发金属蒸气并向轴向和径向扩散，形成从阴极斑点向阳极逐渐加粗的锥型弧 柱。这种存在阴极斑点并不断向周围扩散的真空电弧称为扩散型真空电弧。 对于扩散型真空电弧，当电弧电流趋于零点时，电弧的输入能量减少，蒸发作用减 小，如在某一电流值弧柱扩散速度过快，阴极斑点附近的蒸气压力和温度骤然下降，使 金属质点的蒸发不能维持弧柱扩散，则电弧骤然熄灭，形成截流现象。 扩散型真空电弧熄灭后，电极的熔化区域在微秒数量级内便会迅速冷却，不再向等 离子区提供电子和金属蒸气，随后电弧电压迅速过零，弧隙上出现暂态恢复电压( t r v ) 。 在t r v 作用下，电子向阳极运动，阴极形成f 离子覆盖层( 鞘层) 。鞘层对阴极起到屏 蔽作用，使流向阴极的f 离子大大减小。随着鞘层的变厚，触头间隙介质强度迅速恢复。 由上可见，扩散型真空电弧具有极高的介质强度恢复速度，一般在微秒数量级即达到真 空间隙的击穿电压水平。 二大电流真空电弧 电弧电流产生的磁场对电弧等离子体产生径向的磁压力，磁压力的增大超过气压力 的增长，电弧等离子体两端逐渐被限制在触头的局部表面上，出现阳极斑点，同时阴极 华北电力人学i ：稃硕十学位论文 斑点不再向四周扩散，它们互相吸引，集聚成一个或几个阴极斑点团，这种电弧称为集 聚型真空电弧。集聚型真空电弧熄灭后，电极表面的熔化区域的冷却需要毫秒数量级的 时间。在恢复电压上升过程中，不可避免地就要发生重击穿。 横向磁场触头就是利用电流流过触头时产生的磁场驱使集聚型真空电弧不断在触头 表面运动，以防止触头表面严重熔化。采用纵磁场触头时，电弧呈扩散形态分成许多细 弧，均匀分布在整个触头表面，有利于提高丌断电流 和延长触头寿命。纵向磁场能直接降低电弧电压。在电瓶电压 电弧电流一定的条件下，纵向磁场与电弧电压的关系 华北电力人学i ：程硕十学位论文 “电弧电压；f 电弧电流；“f 电弧吸收的功率； m a r y r 对电弧作了如下假设： 弧柱为一直径不变的圆柱体，其温度随离开轴线距离的增大而降低。 认为电弧电压等于弧柱压降，同时不计沿轴向及电极散发的热量。 弧柱散失的功率主要是由于传导和辐射，不考虑对流。 不考虑弧柱中气体的热物理性质随温度的变化。 弧柱中热游离情况可按沙哈方程式确定，即 ( 箬) g 2 g o e 蛳 式中：g o 常数； q o 一单位弧柱的某一含热量，输入弧柱此数量的热量或弧柱散失此数量的热量时，g 变化e 倍： m a r y r 得到的原始方程表达式如下： 土塑：三( 堡一1 ) gd lo 、p 式中：0 电弧时间常数；牙电弧电导； 在m a r y r 原始方程中，p 和0 均为常数，这与实际情况相差甚大。后来不少研究者 对此提出修改和改进，在这些改进者中s c h w a r z 的观点被广为采用，他将p 和矽均假定 为电导的函数，即 o ( g ) = o o g 口 p ( g ) = p o g p 由此得到m a r y r - s c h w a r z 模型的一般形式，即 古鲁= 去c 专叫 式中有0o 、p o 、口、卢四个待定参数，为得到适合于某一断路器在某一工作条件下 的电弧模型必须做大量相应的开断试验，然后用一定的方法从试验所得示波图上求取 0 0 、p o 、口、夕的数值，之后建立电弧模型并作数字仿真，检查仿真结果是否与开断试 验结果相符。 “黑盒”模型是针对气体断路器提出的，因而在压缩空气断路器和s f 6 断路器上使 用较为理想，但对真空断路器和油断路器则不然。真空断路器的特性在很大程度上受电 极特性的影响，存在很多气吹熄弧理论无法解释的奇怪现象。 以上两种方法的共同点是： 1 模型的应用范围太窄，都只适用于它耐以产生的试验条件下的工作环境。 2 建立过程依赖于大量实验和艰苦、复杂的参数确定过程，实现起来非常困难。 所以，对真空开关来说，实际应用其电弧模型尚十分困难。 华北电力人学一i ：程硕十学位论文 2 3 真空开关的开断特性 2 3 1 截流特性 一截流现象 真空开关的截流现象可用图2 4 来说明。当真空开关的触头 在t l 时刻分离后，触头i a j 开始出现电弧。当电弧电流小于某一噗 值i s 时，电弧开始不稳定，电弧电流波形上开始叠加有高频分么 ! 墅i ；垒 量，i s 被称为真空电弧不稳定起始电流。随着电弧电流瞬时值 e t 2 4 的进一步减小，所叠加的高频分量的幅值越来越大，最终真空 电弧在电流零点时刻t 3 之前的某一时刻t 2 发生熄弧，电流被截断，截流值i c h 为t 2 时 刻电弧电流工频分量的瞬时值。 二影响截流值的因素 真空开关电弧不稳定起始电流的大小主要取决于触头材料和丌断电流的大小，而截 流值大小还和电路参数有关。 1 开关参数对截流值的影响 ( 1 ) 开断速度高会增强开断能力，从而使截流值增大。( 2 ) 触头开距增大会使蒸汽粒子 扩散空间增大，有利于降低蒸汽粒子密度和电弧温度，所以会导致截流值增大。( 3 ) 触头 表面越粗糙越容易产生电子发射，因此有利于降低截流值。( 4 ) 触头直径增大有利于电弧 运动和弧根冷却，使截流值增大。( 5 ) 对于纵向磁场，磁场较弱时，适当增大磁场强度会 使截流值减小，但磁场太强时，磁场强度的增大反而会使截流值增大。 2 触头材料对截流值的影响 真空电弧是依靠触头材料蒸发产生的金属蒸气来维持的一种会属蒸气电弧，因此触 头材料的性质对真空丌关的截流具有重要影响。 ( 1 ) 触头材料性质对触头截流水平的影响 已有的研究表明：材料的沸点0b 、热导率入、电子逸出功e 、游离电位i 、电阻 率p 、原子量m a 、密度pm 、熔化潜热c m 、气化潜热c b 及比热容c p 等许多参数综 合影响着触头的截流水平。增大触头材料的o i 、p ，减小其m a 、pm 、c m 、c b 、c p 、 0b 、入、e 有利于降低截流水平。结合阴极表面能量平衡方程建立的触头材料固有截 流能力预测判据为【1 7 】： t c = ob 2 c ppm 入 1 2pd ( 4 a o ) + ( 1 一s ) i ( 2 i - e ) - 1 3s i 中e c m m c ( 1 s ) i e 2 式中：1 3 、s 、i 、m c 、pd 分别代表隧道效应系数、电子电流与正离子电流之比、 电流、原子质量及电导率。t c 愈小则截流水平愈低。 ( 2 ) 合金触头材料对触头截流水平的影响 真空开关触头材料常用合金有三类。第一类由高导电会属与低熔点金属形成，如 6 华北电力人学i ：程硕+ 学位论文 c u b i 等。这一类触头材料多次开断大电流后，易造成触头表面粗糙及耐压水平下降， 开断能力降低，所以应用不多。第二类由高导电盒属与半难熔会属形成，如c u c r 等。 这类材料具有耐压水平高、开断能力强等优点，应用最广，但截流水平较高。第三类由 高导电金属与难熔金属形成，如c u w c 、a g w c 等，它们表现出了很好的截流水平，并 且随着金属含量的降低，截流水平也会相应降低。 2 3 2 介质强度恢复特性 真空开关开断负荷电流时触头间产生扩散型电弧，电弧熄灭后，阴极电子发射中止， 触头间隙的自由电子等带电微粒扩散之后，触头间隙成为介质状态，随着时间的推移， 介质强度不断增强，逐步恢复到真空间隙状态，这一过程称为介质恢复过程。 影响介质强度恢复速度的因素： 1 开关参数对介质强度恢复速度的影响 ( 1 ) 提高开断速度能提高介质强度恢复速度，但也会使截流值增大；( 2 ) 丌距越小到达 静态击穿电压的时间越短，介质强度恢复速度也越快，但静态击穿电压低；( 3 ) 触头表面 越粗糙越易产生电子发射，使介质强度恢复速度降低：( 4 ) 触头面积越大，介质强度恢复 速度越快；( 5 ) 极间磁场对介质强度恢复速度的影响参见真空电弧理论部分。 2 触头材料对介质强度恢复速度的影响 触头材料对介质强度恢复速度有重要影响。一般截流值低的触头材料其介质强度恢 复速度也低，介质强度恢复速度高的触头材料其截流值也高。所以研制新型低截流值、 高介质强度恢复速度的触头材料一直是真空开关研究中的重大课题。 3 电路参数对介质强度恢复速度的影响 恢复电压可通过影响t r v 对鞘层的发展产生影响，从而影响介质强度恢复过程。试 验证明：恢复电压增长速度越快，介质强度恢复过程受到抑制，恢复速度就越慢。一种 极限的情况是：恢复电压增长速度过快时，开断过程中可能由于介质强度恢复速度过慢 而出现重燃。恢复电压主要由电路参数决定，所以介质强度恢复过程也受电路参数影响。 介质强度恢复速度还和丌断电流、电源电压有关。丌断电流越大，电弧燃烧越充分， 介质强度恢复速度就越慢。电源电压越高，越易产生电子发射，介质强度恢复速度就越 慢。 华北电力大学+ j ：程硕+ 学位论文 第三章真空开关开断并联电容器组操作过电压分析 3 1 真空开关开断并联电容器组操作过电压原理分析 3 1 1 无故障开断电容器组 并联电容器组大部分采用串有限流 电抗器的星型接线方式，三角型接线可 转化为星型接线进行分析；所以，我们 不妨采用星型接线为例近似分析开断电 容器组所形成的过电压( 以后章节也以 此方式) 。 如图3 1 ：系统无故障时，开断电容 器组，开关一相发生重燃。每相补偿电 容为c ，中性点对地电容c o c ，电源 电势e a ( t ) = e m c o s ( o t 。设a 相为首丌相， 即t = 0 时，e a ( t ) = e m 最大时，a 相电流 过零丌断；a 相电容丌断后，残留电荷 无处泄漏( 不计泄漏电导) ，a 相电容上 留有直流分量残留电压值为e r r i ，令 e m = l ，相应的b ，c 相上电压各为o 5 ( 图 3 1 ( a ) ) ，中性点电位移为： u o ( t ) = o 5 + b ( t ) 一e c ( t ) 2 = 0 5 ( 1 - e o s c o t ) a 相开断瞬间t = 0 ，u o = o 。 此时： u b o ( t ) = 一0 5 + 0 5u b c 一0 5 + 0 5 x 1 7 3 c o s ( 纠9 0 0 ) u c o ( 0 - - - - 0 5 - 0 5u b c 5 h ( a ) t = 0 ，a 相电压为最人时a 相开断 ( b 炉川2 ) ，b ，c 相间电压最人时，b ，c 相断开 ( c ) t = 兀硒，a 相电乐为反极 性最人时，开关断口间电压 一0 5 0 5 x 1 7 3 c o s ( 耐9 0 0 1 图3 - i ：无故障开断电容器组单相重燃过电压 经9 0 u 电角度( a , v = 0 5 n ) ，b 、c 相 间线电压瞬时值最大，b 、c 相回路电流过零丌断。此时各相电容器上残留电压如图3 1 ( b ) 所示。a 相为l ，b 相为0 3 7 ，c 相为1 3 7 ：中性点位移电压为o 5 。 再经9 0 0 电角度( 舻7 c ) ，如图3 一l ( c ) 所示。电源电压p a ( ，) = 1 ，e b ( t ) = e 。( 0 = 0 5 ； 此时三相触头间恢复电压以a 相最大，达2 5 。设a 相在此时重燃，由于回路中有电源 。+ 一 + o 1 州叶l u 华北电力火学工程硕士学位论文 电感、限流电感元件存在( 图3 1 未画) ，重燃后产生自由振荡，忽略损耗，则a 相最 大对地过电压为：u m a - - 2 ( 1 ) 1 5 = 3 5 中性点对地位移电压为：u m o = 己，m 。己k = 3 5 一l = 4 5 由于中性点出现过电压，相应的，非重燃相也出现过电压 b = o + o - - 4 5 + 0 3 7 = 一4 13 c ，m c = u m o + u c o 一4 5 1 3 7 = 5 8 7 由此可见，单相重燃时，中性点对地将会出现很高的过电压，电容器极i 日j 无过高的 过电压；通过中性点的传递，在非重燃相将会出现最高的过电压：我们将此方式记为1 1 方式。 由上分析可知，a 相重燃的过程中b 、c 相恢复电压迅速增大，其中c 相最大值可 达o 5 + 5 8 7 = 6 3 7 。可知在此过程中c 相完全可能重燃，记此方式为1 2 。在此方式下， a 相重燃c 相未重燃时，a 相c s 通过l 、c 对c o 充电，c o 上电压迅速升高。c 相重燃 后，一方面主要是a 、c 相电源通过l 对c 充电，使c 上电压增大，另一方面a 、c 相 c s 通过l 、c 对c o 充电，使c o 上电压出现振荡，振荡幅值同c 相重燃自 瞬l 、b jc o 上的 电压有关。c 相重燃前的电路状念如图3 2 、图3 3 所示。不考虑重燃过程中电源电压 的变化及杂散电容的影响得到分析用等值电路如图3 - 4 所示。 1 0 了圈。 了1 i i 3 3 图3 2 。 由运算法： 地卜等等 a c 图- 3 - 4 加等七= - 1 9 3 5 c ! s 一南，+ 喜，其忙击 乙sss + s、? t ： 从而：，) = 一1 9 3 5 c w s i n c o t ，u a c ( t ) = i 一1 9 3 5 ( 1 - c o s c o o 当i ( t ) 过零时c o t = x ，于是可得：u a c 最大值为2 8 7 ， 同理可得魄c 最大值为2 5 。 考虑杂散电容时，a 、c 相c s 将通过l 、c 对c o 充电，使，o 产生严重振荡。 9 华北电力人学i ：科硕十学位论文 由以上分析得知：极间过电压与c 相重燃时刻关系不大，而，o 主要取决于c 相 重燃时u o ，o 的瞬时值，与c 相重燃时刻密切相关。可以推知u o ，o 最大时c 相重燃是一 种最严重情况，此时无论是电容器组极间还是相地都可能出现严重的过电压。 方式1 2 为单相重燃引起两相重燃的一种典型情况。然而实际中这种重燃也有可能 在a 、c 相相i n 电压最大时发生，此时电容器极问过电压接近最严重情况，记此方式为 1 3 。 研究两相重燃用等值电路如图3 5 所示。正常开断时a 、c 相电容器组残压分别为 毒私毒 从而： 其帕= 击。 c 图3 - 5 ：1 - 3 方式分析电路 地，2 蔼c 6 4 寿一压寿， 啪)=了1(一孚川寿一压南)2( 1 一竺) j s z 坳i r 物。 加一专c 孚“，南一压南， 2 ( 1 一篓) s s 2 坳l r 坳 嘣沪志3 7 也删“叩， ( 0 i o 卜一i 乏( 0 2 3 7 3 叭4 j d 彩l 一般情况下，国幼，可以认为极间电压最大值为3 1 ；考虑电抗器影响最大值为 3 1 ( 1 + a ) 。a 为所串感抗同电容器容抗的比值。 由方式1 1 分析知，a 相重燃后c 相恢复电压“f c 可达1 0 + 5 8 7 = 6 8 7 ，设c 相在 u h f c 最大时重燃，记此方式为1 4 。分析方法同方式1 1 ，分析得，o 最大值为 2 ( 1 + 1 3 7 ) + 4 5 = 9 2 4 。 由方式1 1 分析知，在a 相重燃过程中b 、c 相电压迅速升高，u c o 最大值可达5 8 7 。 l o 华北电力人学l ：科硕十学位论文 可见在此过程中c 相完全可能对地闪络，记此方式为1 5 。此时振荡回路原理图如图3 - 6 ， 由于c o 0 ，s ( ，) = 0 时才可认为电流 过零。电流过零信号可作为开关控制的辅助决策信号。 2 模型 也 s - 2 卿忆悯哑 一1 l oi i 。 o 、 o 、 0 ，尽( ，) t c l o s e 后准备合上，u s v f l a s h 时开关完成合闸，延时一段时间后断丌。设置较长的延时时间可以模拟闪络后持续接地 的情况。 3 2 3 间隙控制模型 l r 装置间隙的模拟是通过e m t p 中t a c s 控制的问隙模拟控制丌关( 1 2 型) 来实 现的。 3 3 真空开关开断并联电容器组操作过电压计算 本文主要计算根据内蒙古神华胜利电厂厂用电6 k v 、4 0 0 k v a r 并联补偿电容器组的 设计等值电路( 如图3 1 4 所示) 进 行计算。图中： l ：串联电抗器； c ：电容器组电容； c s ：电源侧对地电容； c o ：电容器组中性点对地电容； l s ：电源内电感； c 1 ：电容器组对地电容； r ：回路损耗等效电阻； 计算常用的一组参数： 图3 1 4 ：并联电容器组补偿站等值电路图 l s = 0 9 m h ，c s = 1 0 1 x f ，l = 1 2 9 m h ，c = 3 5 4 9 f ，c i = 0 0 2 9 f ，c o = 0 0 1 9 f ，r = i f 2 ( 相当于 6 k v ，4 0 0 k v a r 三相并联电容器组，串联电抗率a = 4 5 ) 。 约定： u a o 、u b o 、u c o 分别表示a 、b 、c 相电容器侧对地电压； u a c 、u b c 、u c c 分别表示a 、b 、c 相电容器组电压( 相对中性点) ； u s o 、u o ，o 分别表示电源和电容器组中性点的对地电压； u h 阶u h f b 、u h l c 分别表示a 、b 、c 相恢复电压； p u ：过电压均以相电压幅值的倍数； 重燃过程中假设电弧在电流第一次过零时熄灭； 3 3 1 无故障情况 一当c s 较大时，如c s 远大于c 1 、c o ，重燃过程中母线电压基本保持不变。 取c s = i 0 1 a f ，得计算结果如表3 1 所示。 1 1 方式电容器极地电压计算波形图如图3 1 5 所示。 1 2 方式电容器极地过电压和中性点过电压波形如图3 1 6 、3 1 7 所示。 华北电力人学 程硕十学位论文 表3 u mu b 0u c ou a cu b c u c c u oou s o 】1 方式 一3 5 l- 4 1 859 4】0 6 03 9 i4 7- 4 4 9 o0 8 8 i - 2 方式 i 3 方式 】- 4 方式1 0 0 l 1 5 方式 25 2 幽3 - 1 5 ：l l 方式电存器极地过电压波形 幽3 - 1 6i - 2 方式中性点电压山3 , 7 时c 相重燃电容器极地过电压波形 华北电力火学t 程硕士学位论文 以上计算比表明：无故障时，极地过电压以1 - 4 、1 1 方式为严重，尤以1 - 4 方式最 严重，同时电容器中性点电压升高最大；极间过电压以1 2 、1 3 方式最严重，l 一3 方式 大些，但相差不大，1 2 方式下电容器组极间及相地均出现严重过电压，因此可以两相 重燃( 1 - 2 方式) 分析；1 5 方式主 要引起系统电压波动，使其中性点 电位升高。 为了验证本计算模型的正确 性，特将1 2 方式中性点电压为3 7 时c 相重燃中性点过电压计算波形 ( 图3 1 7 ) 和制造厂提供的4 0 0 k v a r 电容器组实际丌断试验波形( 图 3 1 8 ) 进行了对比，发现两者基本 一致，证明了本计算模型的j 下确性。 二、当c s 较小时： 图3 1 8 ：4 0 0 k v a r 电容器组实际开断重击穿试验波形 取c s = 0 1 心，得计算结果如表3 - 2 所示： 表3 2 ： u a ou mu c ou a cu s cu c cu o ，ou s o 1 1 方式 2 5 83 2 85 1 11 0 7o 3 91 4 63 6 4o 4 3 1 2 方式 4 6 52 9 44 6 62 5 70 3 92 2 03 1 9o 3 8 l 一4 方式 7 4 26 6 54 9 31 0 70 3 91 4 66 3 60 7 4 1 5 方式 2 5 11 8 13 4 2 1 0 5 0 3 8 71 4 3 1 4 46 7 4 由上，当c s 较小时，重燃过程中母线电压将下降，从而使重燃过电压减小，但是 引起电源电压有大的波动。为了使重燃过程中母线电压不出现大的波动以保证安全、优 质供电，c s 不宜太小( 一般1 0 k v 及系统可取c s 为1 0 f t f 左右，3 5 k v 系统可取c s 为 0 3 9 f 左右) 。这时由单相重燃引起的母线电压波动一般不会超过0 1 p u 。一般母线均能 满足这一要求，如遇母线空载或未有出线等情况不能满足时有必要采取一些措施，如母 线对地接电容器等。 三、串联电抗率a 对过电压的影响： 为了研究电抗器对电容器过电压的影响，本人对串联电抗率为1 、4 5 、1 2 的 情况下1 1 方式和1 3 方式的过电压进行了研究，结果如表3 3 、3 4 所示： 表3 3 ：1 1 方式下计算结果 u a ou s ou c ou a cu b cu c cu o o a = l 一3 3 54 0 15 7 71 0 20 3 71 2 14 3 9 a = 4 5 3 4 1 4 0 7 5 9 81 0 7 0 3 91 4 74 4 7 a = 1 2 3 6 14 - 3 26 3 51 1 40 4 01 5 04 7 3 华北电力人学l ：程硕十学位论文 表3 4 ：1 - 3 方式下计算结果 u a ou mu c ou a cu b cu c cu o ，o a - - 1 1 8 80 7 42 2 32 2 40 3 81