（电力系统及其自动化专业论文）真空开关操作过电压分析及其保护研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 指导教师签名： b 翔 a 侈 o ； 西华大学学位论文版权使用授权书 苌坼 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学譬论文作者签名：手挺辅 指导教师签名： 日瓤上饼多月f 月 日期a 夕7 f ， 爨- 耗 西华大学硕士学位论文 摘要 真空开关在结构和开断特性方面有着自己的特点，在操作时就会产生与其它开关不 同的过电压。系统的分析这些过电压的产生，并讨论如何采取有效的抑制措施，对真空 开关的推广和安全运行都有一定的意义。 操作过电压是由系统故障或开关操作等引起的过渡过程过电压。由于操作，暂态过 程使电力系统中的电容、电感等储能元件的工作状态发生了变化。电感元件存储的磁场 能会转化为电场能存储于电容元件中，电容元件存储的电场能也会在某一瞬间转变为磁 场能存储于电感元件中，这种情况下会产生数倍于电源电压的过渡过程过电压。为了保 证电力系统的安全、可靠、经济运行，迫切需要对暂态过电压进行监测与分析研究。 本文以现场实测的电力系统过电压数据为研究对象，通过将过电压数据还原为实时 波形，得出各个过电压波形的参数，从而进行过电压分析及其保护研究。本文先对真空 开关各种操作过电压产生过程进行理论分析，为过电压分析及保护仿真研究提供了理论 依据。接着通过对攀枝花某企业变电所实测过电压数据进行统计与分析。通过还原过电 压的波形，从而能够得出过电压的幅值大小、持续时间、陡度等相关参数，运用数理统 计方法对三相对地过电压倍数进行统计分析，得出操作过电压倍数的概率密度分布。由 此提出对该变电所绝缘配合的建议，从而可以避免过电压的累积效应而逐渐削弱电气设 备绝缘水平的发生，具有一定的工程意义。最后运用a t p d r a w 软件对三种操作过电压 进行了保护仿真研究。仿真中提议用可控电阻来模拟真空电弧特性。仿真中运用带合闸 电阻的开关、r c 阻容装置及其氧化锌避雷器来限制操作过电压，并取得了一定的成效。 本文对真空开关操作过电压的产生、波形分析及其保护措施的研究，可以为该变电所进 行过电压保护提供依据，具有重要的指导意义。 关键词：真空开关；操作过电压；统计分析；绝缘配合；过电压保护 真空开关操作过电压分析及其保护研究 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t v a c u u ms w i t c h e sh a v et h e i ro w nf e a t u r e so nc o n s t r u c t i o na n di n t e r r u p t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ， a n dc a nb r i n gd i f f e r e n to v e r v o l t a g e sc o m p a r e dw i t ho t h e rs w i t c h e so p e r a t i o n t h ep r o d u c t i o n o fo v e r v o l t a g e sc a nb es y s t e m i ca n a l y s i s a n de f f e c t u a lr e p r e s s i v em e a s u r e sc a nb ed i s c u s s e d i t sv e r ys i g n i f i c a n c ef o rv a c u u ms w i t c h sp r o m o t i o na n d o p e r a t i o ns e c u r i t y s y s t e mf a i l u r eo rs w i t c ho p e r a t i o nc a u s e dt r a n s i t i o n a lp r o c e s so v e r v o l t a g e s ，w h i c ha l s o c a l l e ds w i t c h i n go v e r v o l t a g e s b e c a u s eo fo p e r a t i o n ，t r a n s i e n tp r o c e s sc a nm a k et h ee n e r g y s t o r a g ec o m p o n e n t si nt h ep o w e rs y s t e mw o r k i n gs t a t ec h a n g e d m a g n e t i cf i e l de n e r g yt h a t s t o r e di ni n d u c t a n c ec o m p o n e n t sc a nt r a n s f o r m e di n t oe l e c t r i cf i e l de n e r g ys t o r e di nc a p a c i t o r e l e m e n t e l e c t r i cf i l e de n e r g yt h a ts t o r e di nc a p a c i t o re l e m e n ta l s oc a nt r a n s i e n ti n t om a g n e t i c f i e l de n e r g ys t o r e di ni n d u c t a n c ec o m p o n e n t sam o m e n ti nt i m e i nt h i sc a s e ，t r a n s i t i o n a l p r o c e s so v e r v o l t a g e st h a ts e v e r a lt i m e so fs u p p l yv o l t a g ec a nb eg e n e r a t e d t oe n s u r et h e p o w e rs y s t e ms a f e ，r e l i a b l ea n de c o n o m yo p e r a t i o n ，i tr e q u i r e st h a tt e m p o r a r yo v e r v o l t a g e s c a nb em o n i t o ra n da n a l y s i sr e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，t h ed a t ao fo v e r v o l t a g e st h a tw e r em e a s u r e do n l i n ei np o w e rs y s t e ma r e r e g a r d e da sr e s e a r c ho b j e c t 1 1 1 ed a t ao fo v e r v o l t a g e sc a nb er e v e r t e dt or e a l t i m ew a v e f o r m p a r a m e t e r so fo v e r v o l t a g e sc a nb eo b t a i n e d s oo v e r v o l t a g e s a n a l y s i sa n dp r o t e c t i o nr e s e a r c h c a nb ei np r o g r e s s a tf i r s t ，t h e o r e t i c a la n a l y s e sa r ed i s c u s s e da b o u tv a r i o u sv c bs w i t c h i n g o v e r v o l t a g e s g e n e r a t i n gp r o c e s s t h i sc a l lp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o ro v e r v o l t a g e s a n a l y s i s a n dp r o t e c t i o nr e s e a r c h a f t e rt h a t ，t h ed a t ao fo v e r v o l t a g e sc a l lb es t a t i s t i c sa n da n a l y s i s ， w h i c hw e r em e a s u r e do n l i n ea tt h es u b s t a t i o no fac o r p o r a t i o ni np a n z h i h u a 1 1 1 ep a r a m e t e r , s u c ha sa m p l i t u d e ，d u r a t i o n ，a n dg r a d i e n ta n ds oo n ，c a nb eo b t a i n e dt h r o u g ht h er e a l t i m e o v c r v o l t a g e s w a v e f o r m s m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sm e t h o dc a l lb eu s e dt os t a t i s t i c a la n a l y s i s t h et h r e e c o r r e s p o n d i n g l ys w i t c h i n go v e r v o l t a g e s am u l t i p l eo fo v e r v o l t a g e sa m p l i t u d e p r o b a b i l i t yd e n s i t yi so b t a i n e d a na d v i c ei sp u tf o r w a r da b o u ts u b s t a t i o n si n s u l a t i o n c o o r d i n a t i o n i tc a nb ea v o i d e dt h a tt h ei n s u l a t i o nl e v e lo fe l e c t r i c a le q u i p m e n ti sw e a k e n i n g g r a d u a l l yd u et oa c c u m u l a t i o n e f f e c to fo v e r v o l t a g e s t h e s eh a v eac e r t a i ne n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n c e a tl a s t ，a t p d r a ws o f t c a l lb eu s e dt os i m u l a t et h r e e t y p e ss w i t c h i n g o v e r v o l t a g e s a n dp r o t e c t i o nr e s e a r c h c o n t r o l l e dr e s i s t a n c ei sa d v i s e dt os i m u l a t et h e c h a r a c t e r i s t i co fv a c u u ma r c 1 1 1 es w i t c hw i t hc l o s i n gr e s i s t o r , r ce q u i p m e n ta n dm o aa r e u s e dt ol i m i ts w i t c h i n go v e r v o l t a g e s c e r t a i ne f f e c ti so b t a i n e d t h o s et h a tg e n e r a t i n gp r o c e s s o fv a c u u ms w i t c h e s s w i t c h i n go v e r v o l t a g e sh a v eb e e nd i s c u s s e d ，w a v e f o r ma n a l y s i sa n d p r o t e c t i o nm e a s u r e sh a v eb e e nr e s e a r c h e d ，c a no f f e ri m p o r t a n td i r e c t i v es i g n i f i c a n c ef o r o v e r v o l t a g e sp r o t e c t i o n i i i 真空开关操作过电压分析及其保护研究 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 ；s t a t i s t i ca n a l y s i s ；i n s u l a t i o n c o o r d i n a t i o n ；o v e r v o l t a g ep r o t e c t i o n i v 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 真空开关概述1 1 2 真空开关相关特性2 1 3 研究真空开关操作过电压意义4 1 4 本论文研究的主要内容5 2 真空开关操i 作过电压产生机理6 2 1 弧光接地过电压6 2 2 空载线路分闸过电压7 2 3 空载线路合闸过电压8 2 4 空载变压器和电动机分闸过电压9 2 5 投切电容器组过电压1 1 2 6 消弧线圈补偿电网中切除接地故障时过电压1 2 2 7 解列过电压一1 4 3 真空开关操作过电压在线监测及结果分析1 5 3 1 真空开关操作过电压的监测1 5 3 2 操作过电压实测波形分析1 6 3 3 真空开关操作过电压的统计分析2 9 3 4 过电压与绝缘配合3 4 3 4 1 绝缘配合概述3 4 3 4 2 过电压统计对绝缘配合的影响3 7 4 真空开关操作过电压保护研究3 8 4 1 操作过电压保护3 8 4 2 操作过电压保护仿真研究4 4 4 2 1a t p d r a w 简介“ 4 2 2 真空开关建模4 5 4 2 3 仿真保护研究4 6 结论6 4 参考文献6 6 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况6 8 v 真空开关操作过电压分析及其保护研究 致 谢6 9 v i 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 真空开关概述 常用的真空开关包括：真空断路器、真空负荷开关和真空接触器n 1 。 在中压系统中，真空断路器以其结构简捷、机电寿命长、维修量少、无火灾危害和 适宜较频繁操作等优异的特性，获得了广泛的应用。在我国，使用者早期担心的一些问 题( 例如真空断路器的截流值大以及真空灭弧室密封不可靠会导致开断失效等) 都随着 灭弧室工艺水平的提高和改进逐步得到了解决【l j 。因此，各类真空断路器更加日益广泛 地使用在不同的场合。 真空负荷开关与压气式和产气式负荷开关相比，真空灭弧室的熄弧能力很强，具有 较大的开断故障电流的能力。而后两种负荷开关的相应能力通常很小，如果要增大开断 电流，在技术上的难度很大。另外，真空负荷开关也没有产气材料因开断电流引起材料 迅速消耗的缺点，所以维修量少，寿命长。与s 瓦负荷开关相比，真空负荷开关无需复 杂的动密封结构，也不会导致有害气体的产生，因而在许多国家真空开关的使用很普遍 i l j 。在我国真空负荷开关随着真空断路器的推广而迅速得到发展。 真空接触器是一类尤其适宜频繁操作的开关电器。因为它的触头开距很短，所需操 作功极小，所以采用结构简单的电磁操动机构。真空接触器最主要的用途是控制频繁启 动的，经常正、反转运行的电动机或者经常投、切的电容器组。此外，当真空接触器和 限流熔断器串联运行时，也可以代替一般的断路器，成为一种经济的开关装置【l 】。 在广泛使用各种中压真空开关的基础上，将有关技术扩展到低压和高压领域中，以 便制造出相应的开关装置，充分发挥真空介质灭弧的优异特性，是很有意义的工作和研 究。 低压真空断路器的制造业已获成功。额定电压6 6 0 v 及以下的低压真空断路器正使 用在煤矿工业、化学工业等领域，特别是操作较频繁、检修间隔时间长和不允许有电弧 飞溅的场所，成功的取代了二些传统的空气型隔爆开关【l 】。 高压真空断路器的开发主要是在2 0 世纪8 0 年代的中后期，它已成为开关制造业的 新课题。其中日本、英国和美国均相继有不同电压灭弧室或断路器问世，有的还形成了 系列产品，并投入运行。 高压真空灭弧室的研制是关键的技术问题之一。合金触头材料的选取和触头的合理 设计，如何改进断口的均压效果，提高工频电压的耐受能力和开断容量以及减小灭弧室 的体积，这对于高压真空断路器的设计有着决定性的影响。我国近年来也在积极开展一 真空开关操作过电压分析及其保护研究 些研究工作，并在真空灭弧室的设计方面取得了可喜的初步成果。例如，据报道，用国 产c u - t e s e 和a 】- t e s e _ - f e 合金制造的触头已能承受工频耐受电压7 2 8 4 k v ， 其开断能力最大达到了4 0 k a 。 1 2 真空开关相关特性 真空开关相关特性主要包括：真空介质的击穿特性；真空中电弧现象和介质 强度的恢复特性【m 。 ( 1 ) 真空介质的击穿特性 自2 0 年代起，就有不少研究者用各自的理论和试验来解释从预放电开始到间隙击 穿时的物理过程。但由于真空中剩余气体的种类、电极材料、表面状况的不同以及附着 的杂质等因数，这些都敏感地的影响着放电电压的变化，所以到目前为止，仍没有一种 理论能够完善的解释真空中的放电现象。但最有重要意义的是s c h o t t k y 的增强热电子发 射效应和f o w l e r 、n o r d h e i m 冷电子发射效应两种理论【l 圳。 最早出现的s c h o t t k y 理论解释这种发射过程与温度和电场有关。即在阴极中，电子 能量大部分较低，但阴极被加热时电子增加了动能，如果再处于外加电场1 0 7 v m m 或 更高的场强作用时，该电场降低了阴极金属材料的势垒高度，减少了电子脱离金属表面 所需的逸出功，即高压电场增强了热电子的发射效应。但是，以后的试验证明，在温度 1 0 0 0 k 以下的场致发射中，与温度大小并无关系。f o w l e r 和n o r d h e i m 则认为阴极金属 材料中电子能量分布在具有最大值的一条费米能带上。高压电场作用使金属中的电子势 垒在费米能带处的宽度减少、高度降低，如果电场强度达到1 0 9v m m ，则电子具备了 足够的发射能量。这一理论得到了用场致发射显微镜试验验证的支持。该实验使用一针 状阴极，它制造得非常理想，排除了影响放电的电极表面微观几何形状、吸附的气体和 杂质等因数l j 训。 上述的这些理论及其有关的试验都只能在不同程度上，阐述了真空介质中发生击穿 的机理。由此可见，影响的因素是十分复杂的。这些因素概括起来主要有：电极材 料及表面状态；间隙距离；电场的不均匀系数。尽管关于真空介质中放电机理的 种种解释方法不同，但它们对灭弧室的设计和制造都有着重要的参考意义。 ( 2 ) 真空中电弧现象和介质强度的恢复特性【l 一 真空中的间隙击穿以后或者在真空开关中的触头分开瞬间，都将产生电弧。开关触 头间产生电弧，不但由于这一瞬间出现了极高的电场强度，导致剧烈的场致发射；而且 还因为很大的触头压力突然变小，触头接触电阻急剧增大，回路电流在接触面上的热效 应使电极表面温度骤然升高，由此又产生了热阴极效应。 2 西华大学硕士学位论文 在真空中，残存的气体分子数量及其微小，电弧的燃烧完全依靠金属蒸气来维持。 它不像空气中的电弧那样，在弧柱里有着大量的气体电离后生成的离子和电子。因此， 真空中的电弧产生和发展过程中都有其独特的现象，与空气中的电弧有着本质的区别。 研究真空电弧发现，电弧电流大小的不同，它们的形式和电气特性也不同。当电弧 电流的幅值较小，通常不大于几百安时( 即所谓的小电流电弧) 。小电流电弧具有以下 一些特征： 在电弧燃烧过程中，由于电子的迁移率远远大于金属蒸气中金属离子的迁移率， 即正离子进入阴极的速度比电子进入阳极要慢得多。因此，在阴极附近形成正空间电荷 区。在正电荷电场的作用下，弧腔中电场强度的分布变得不均匀。阴极表面附近的电压 梯度骤增，形成阴极压降区，而在从正空间电荷区到阳极的电弧部分，则因电场的反方 向叠加减少了该区的电场强度。所以小电流电弧的压降主要决定于阴极材料特性。 小电流电弧的燃烧是仅由阴极发射的电子和金属蒸气来维持的。在交流电流过 零前，瞬时值变小，阴极斑点迅速冷却，发射的金属蒸气也相应减少。当金属蒸气减少 到不能维持电弧导通所需的离子数量时，电弧的燃烧就变得不稳定，相应的在电流波形 中出现振荡，并突然截断。这一现象即截流效应。由过电压理论知，截流效应可以引起 设备回路中的电磁过渡过程，因而可能导致危害过电压的出现。 电弧仅烧损阴极表面，阳极不但未受损伤，反而在电弧导通时表面上覆盖了一 层阴极材料的喷射沉淀物。 在垂直于电弧方向磁场的作用下，阴极斑点向安培左手定则确定的电动力相反 方向运动，这一现象称为逆动现象。这一特点对保持阴极表面处于不高的温度是有利的。 小电流电弧的逆动现象可能与在密集的圆锥形等离子体中，外施磁场受到部分正离子运 动时，产生的磁场干扰有关。 大电流电弧与小电流电弧的发展过程有很大的差别。大电流电弧具有以下的一些特 征： 电弧的燃烧是由阴极和阳极共同维持的，在交流电弧过零前弧腔中有足够的金 属蒸气，所以，不会出现电弧燃烧的不稳定现象和电弧的突然截断现象。 电弧压降中有振荡现象。可能它与阳极斑点发射能力的不稳定性，以及由此引 起的阳极压降变化有关。 在磁场作用下，电弧的运动与安培左手定则确定的电动力方向一致。由此研制 出的各种断路器触头，利用与电弧方向垂直的磁场来驱动收缩状电弧做高速运动，从而 避免电弧在触头表面的滞留，或者利用与电弧方向一致的磁场，尽量使之像扩散状电弧 那样呈分散状态，减轻触头烧损程度，提高开断能力。 3 真空开关操作过电压分析及其保护研究 真空介质中交流电弧熄灭并且在电流过零以后，弧腔处于绝缘恢复的过程。真空灭 弧室在多次开断大电流电弧后，触头表面烧损是降低冲击绝缘强度的原因。近年来发现， c 1 】c r 触头在开断试验后，它的冲击绝缘强度甚至可以恢复到试验前的水平。 在电弧后恢复过程中，一个值得注意的情况是有时出现非持续放电现象( n s d d ) ， 即灭弧室断口开断短路电流后，处于工频恢复电压的作用，经历几十微秒或更长的时间 后，电极间出现高频放电电流波，然后自行熄灭，有的甚至造成断口重燃，即事后重燃。 对该现象的起因虽然至今没有统一的认识，但可以肯定是，非持续放电现象都发生在劣 质的灭弧室中，它和触头的制造、表面处理、附着的杂质以及老炼的情况有密切的关系， 甚至还和操动机构动作的加速度有关。真空灭弧室在出厂前都经历了严格的老炼处理， 这对于去除触头表面的杂质颗粒与毛刺等微观缺陷，稳定它的电气特征，尤其是防止发 生事后重燃等不良现象，都有一定的作用。 1 3 研究真空开关操作过电压意义 真空开关以其很强的灭弧能力受到广泛的应用。但正因为灭弧能力太强，带来了截 流过电压的产生，尤其对感性小电流更易发生截流。减小截流值是解决和防止截流过电 压产生的关键。为保护电力系统的安全运行，研究真空开关的操作过电压具有重要意义。 电力系统中真空开关的主要负载有：空载线路、电容器组、电动机和空载变压器等。 开断过电压主要来自于真空开关中真空电弧的截流或重燃。一方面是因为小电流真空电 弧的不稳定性，真空开关在开断空载变压器等小感性电流时，易出现电弧在电流过零前 熄灭的情况，即截流，使得变压器电感等储能单元在熄弧时存储了能量，以后便在负载 端振荡，或转化为电场能量时在对地电容上产生过电压；另一方面分断过程中电弧的重 燃，也使真空开关触头间流过高频电流。它流经对地电容而产生高频振荡电压，其陡度 非常大。此外真空开关在接通电路时，触头间距变小，在触头机械地接触之前产生预击 穿，触头间会流过高频电流，从而引起过电压。 切除空载线路时，真空开关切除的是较小的电容电流，通常为几十安至几百安，与 短路电流相比小得多。然而在分闸初期，由于真空开关触头间的恢复电压上升速度可能 超过介质恢复强度的上升速度，造成电弧重燃现象。从而引起电磁振荡，把从电源处继 续获得的能量并积累起来，出现过电压。它不仅威胁电气设备的安全，也是真空开关本 身最终能否完成切除空载线路造成困难。 在供电系统中，由于电能损耗等多种原因使供电电压不稳定。为提高电网的功率因 数，减少线路上的损耗，常采用无功补偿的方法来维持电网的正常工作电压，保证供电 质量，实现电网的经济运行。这是一种最实用的最经济的方法。在开断与关合电容器组 时，主要存在两个问题：一是合闸涌流；二是分闸过电压。在自动开断与关合电容器组 4 西华大学硕士学位论文 的装置中，这些问题尤为突出。早期适用的真空开关由于性能不完善，在开断与关合过 程中，由于合闸涌流与多次重燃的出现，产生了较高的过电压，给真空开关和电力设备 带来严重危害。 开断空载变压器是真空开关的基本操作之一。真空断路器主要是按照开断系统短路 电流设计的。由于现代电力变压器的空载励磁电流很小，一般只有几安。用真空断路器 开断空载变压器时，变压器线圈中的电流在自然通过零点之前就可能被强迫截断。电流 被截断后，线圈中储存的磁场能量将以振荡的形式转换成同线圈并联的杂散电容上的电 能。由于此电容一般很小，因此，即使较少的磁场能量也可能产生较高的过电压。 鉴于真空开关操作过电压在实际运行中不可避免，当前要推广并使用真空开关，就 迫切需要解决线路、变压器、电动机、真空开关及过电压保护装置之间的绝缘配合。由 此可见，对操作过电压的理论分析和现场过电压数据实测及其分析，就显得非常重要。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文研究的主要内容就是对真空开关各种操作过电压相关理论进行详细分析。通 过对攀枝花某企业变电所实测数据分析与统计，得出操作过电压波形参数及其幅值倍数 的概率密度分布，同时对操作过电压的保护措施进行了仿真研究。具体工作为： 1 、对真空开关各种操作过电压相关理论进行分析。其中包含对弧光接地过电压、 空载线路分合闸过电压、空载变压器和电动机分闸过电压、投切电容器组过电压、消弧 线圈补偿电网中切除接地故障时过电压及其解列过电压的详细论述。 2 、对四川电力实验研究院研制的t r 2 0 0 0 过电压在线监测装置进行了简单介绍，并 对其现场安装及实测进行了阐述。 3 、对现场采集的操作过电压数据，运用相关软件进行分析，可以得出过电压发生 时间及其波形。从而进一步得到过电压的幅值、波前时间、持续时间及陡度等相关参数。 4 、对操作过电压进行统计分析，得出了该变电所在一段时间内的相对地操作过电 压幅值倍数的概率密度分布。 5 、针对操作过电压幅值倍数的概率密度分布，结合绝缘配合原则及电气设备故障 率曲线，提出该变电所在过电压幅值超过某值时就应采取保护措施的建议。 6 、对操作过电压的保护措施进行了阐述。其中详细介绍了氧化锌避雷器( m o a ) 相关参数。 7 、运用a t p d r a w 软件对三种操作过电压进行了仿真分析。通过对开关并联电阻、 r c 阻容装置及氧化锌避雷器( m o a ) 的运用，揭示了合理选择保护装置及其参数，将 会提高限制操作过电压的效果。 真空开关操作过电压分析及其保护研究 2 真空开关操作过电压产生机理 真空开关在结构和开断特性方面有着自己的特点。因此，存在一些与使用其它类型 开关时不同的过电压。系统的分析这些过电压的产生并讨论如何采取有效的抑制措施， 对真空开关电器的推广和安全运行都有一定的意义。 操作过电压是由于系统故障或断路器操作等引起的过渡过程过电压。这里“操作 包括断路器的正常操作，如分、合闸空载变压器、电抗器或空载线路等；它也包括各类 故障，如单相接地、断线故障等。由于“操作”，使电力系统中的电容、电感储能元件 的工作状态发生了变化，将会产生电磁能量振荡的过渡过程。在此过程中，电感元件储 存的磁场能会在某一瞬间转变为电场能储存于电容元件中，也可以是电容元件储存的电 场能会在某一瞬间转变为磁场能储存于电感元件之中，从而产生数倍于电源电压的过渡 过程过电压，这就是操作过电压。这个转换常是强阻尼的、振荡性的过渡过程。因此操 作过电压具有幅值高、存在高频振荡、强阻尼以及持续时间短等特点。 电力系统中常见的操作过电压可分为： 弧光接地过电压； 空载线路分闸过电压； 空载线路合闸过电压； 空载变压器和电动机分闸过电压； 投切电容器组过电压； 消弧线圈补偿电网中切除接地故障时过电压； 解列过电压。 2 1弧光接地过电压 单相接地是电网的主要故障形式。在中性点不接地的电网内，这种故障并不改变电 源变压器的三相绕组电压的对称性，接地电流也不大，因而不必要立即切除线路和中断 对用户的继续供电，运行值班人员可借接地指示设备来发现故障和及时处理。这就大大 地提高了供电的可靠性，但单相接地会使健全相电压升高至线电压。在单相接地故障中， 绝大部分为电弧不稳定，处于时燃时灭的状态，这种间歇性电弧接地使系统工作状态时 刻在变化，导致电感电容元件之间的电磁振荡，形成遍及全系统的过电压，这就是间歇 性电弧接地过电压，也称弧光接地过电压【5 】。 在单相接地事故中，绝大部分属于弧光接地( 例如雷击和鸟害等引起) ，通过弧光 的电流，甜是健全相对地电容电流的总和。设a 相接地，取电源相电压为u 一，可得： 6 西华大学硕士学位论文 i 埘= i bc o s 3 0 。+ i cc o s 3 0 = 3 c o c o u , ( 2 1 ) 接地电流每次通过零点时，电弧都会暂时性的熄灭。当恢复电压超过其恢复强度时， 又将再一次发生对地击穿，于是便形成了电弧熄灭与重燃的相互交替的不稳定工作状 态。这种间歇性电弧现象引起电网中电磁能的强烈振荡，并在健全相以至故障相中产生 很高的过渡过程过电压。 假定a 相在幅值一u 一时发生对地闪络，则a 相对地电容c o 上电压u 。突变为零， 此时b 、c 相对地电容c 6 、c 上初始电压、以为o 5 玑。a 相接地后，b 、c 相上 电压不能突变，通过振荡过程而趋于新的稳态瞬时值1 5 u q , 。根据l c 串联振荡电路， 过渡过程中非故障相的最大过电压可按下式求解。 u 一= u 一+ ( u w 一) ( 2 2 ) 式中u 。为振荡过程结束后达到的稳定值，砜为初始值。因此，a 相弧光接地闪络 过渡过程中，非故障相出现的最大过电压为： u 蛳= 2 1 5 u 妒一o 5 u q , = 2 5 ( 2 3 ) 经过半个周期后，b 、c 相电压等于一1 5 ，脚过零点，即发生第一次工频断弧。 a 相对地电压逐渐恢复，又经过半个周期后，b 、c 相电压等于一o 5 u 。，a 相恢复电压 则高达一2 ，这可能引起电弧的重燃，其结果使b 、c 相电压从初始值一o 5 趋于线 电压的瞬时值1 5 虬，从而产生更高的过渡过程过电压为： u = 2 1 5 一( 一0 5 ) = 3 5 ( 2 4 ) 综上所述，在中性点不接地系统发生单相接地事故时，健全相产生最高电压为 3 5 u 9 ，故障相的最大过电压为2 0 u ，。 2 2 空载线路分闸过电压 切除空载线路是电力系统中常见的操作之一。产生过电压的原因是断路器分闸过程 中的重燃现象。 切除空载线路，断路器切除的是较小的电容电流，通常为几十安至几百安，与短路 电流相比是小得多。然而在分闸初期，由于真空断路器触头间恢复电压上升速度可能超 过介质恢复强度的上升速度，造成电弧重燃现象，从而引起电磁振荡，把从电源处继续 获得的能量并积蓄起来，出现过电压。它不仅威胁电力设备的安全，也使断路器本身最 终完成切除空载线路的动作造成困难。运行经验表明，断路器灭弧能力越差，重燃几率 真空开关操作过电压分析及其保护研究 也越大，过电压幅值也越高。我国运行经验指出，在3 5 2 2 0 k v 电网内，虽然绝缘水平 选的高，都曾由于切除空载线路而发生过闪络和击纠5 d3 1 。 空载线路可采用单相l c 集中参数电路来等值。设t ，时电源电动势为 e ( t ) = u 。c o s c o t ，由于电流超前电源电压9 0 。，所以，此时流过断路器的工频电流恰好为 零。此时断路器分闸，断路器断口a 、b 间第一次断弧。若断路器在t ，前工频半周内任 何一个时刻合闸，只要不发生电流的突然截断现象，断路器断口间电弧总是要等到t 时 刻电流过零时才会熄灭。断路器分闸后，线路电容c 上电荷无处泄漏，使得线路上保持 这个残余电压一u 。然而断路器口a 侧的对地电压在t ，之后，仍要按电源作余弦规律变 化，断路器触头间的恢复电压为： u 脑= g o ) 一( 一u 0 ) = u 二( 1 + e o s o x ) ( 2 5 ) t = t 。时，u 柚= 0 ，随后恢复电压越来越高，在t = t 2 ( 再经过半个周期) 时达 到最大值为2 u 。 在t ，之后，若断路器断口间抗电强度的恢复赶不上断口间恢复电压的升高，断路器 触头间可能发生电弧重燃n 卜1 7 3 。 假定在恢复电压达到最大时发生电弧重燃，即t ，时发生第一次重燃。此刻回路是一 个振荡回路，振荡固有频率兀= 1 2 z r 扼c 要比工频大得多，因而可以认为，在暂态高 频振荡期间电源电压e ( f ) 保持t ：时的值u 驴不变，则线路上的过电压幅值可按下式估算： u 眦= u p + u 0 一( 一u 妒) 】= 3 u , ( 2 6 ) 以此假设，若继续每隔半个工频周期电弧重燃一次，则切空载线路过电压将按3 u 。、 一5 u 9 、7 u 矿的规律变化，越来越高，直到触头已有足够的绝缘强度，电弧不再 重燃为止。 2 3 空载线路合闸过电压 合闸空载线路是电力系统中常见的一种操作。由于线路电压在合闸前后发生突变， 在此变化的过渡过程中会引起空载线路合闸过电压。 线路检修后的投入运行，调度需要对送电线路的切合操作，通常我们称之为计划性 合闸操作。计划性合闸时，线路上不存在接地，线路上初始电压为零。空载线路的电感 很小，其主要参数是导线的对地电容和相间电容，即可近似看成为电容电路。因此，集 中电容的合闸过程也会产生与合空载线路相类似的过电压睁1 3 1 。假设在电源电压幅值为 u 。时合闸，则合闸过电压最大幅值将为2 ，且出现在线路末端。 西华大学硕士学位论文 第二类合闸问题是由重合闸所引起。自动重合闸是线路发生故障跳闸后，由自动装 置控制而进行，的合闸操作，这是中性点直接接地系统中经常遇到的一种操作。当三相线 路某相发生接地后，故障相两端断路器敛先分闸，然后织分闸。当敛分闸后，流 过断路器舛中健全相的电流是线路电容电流，故当电流为零时，电压达到最大值时， 断路器缎熄弧。但由于系统内存在单相接地，健全相的电压将为( 1 3 1 4 ) 虬，因此断 路器缎分闸熄弧后，线路上残余电压也将为此值。在断路器织重合前，线路上的残 余电荷将通过线路泄漏电阻入地，使线路残余电压有所下降，残余电压下降的速度与线 路绝缘子污秽情况、气候条件有关。经f 时间间隔后，鲫将重新合闸，此时假设线路 残余电压已经降低了3 0 ，即为( o 9 1 0 9 8 ) u 。 假定重合闸时电源电压恰好与线路残余电压极性相反，且为峰值，即一玑，则合闸 ， r 时过渡过程中最大过电压为： u 懈= 一u 9 + 卜u p 一( o 9 1 o 9 8 ) u 0 】= ( - 2 9 1 2 9 8 ) u 尹 ( 2 7 ) 综上所述，三相重合闸过电压要比计划性合闸过电压严重得多，会在线路上造成接 近或超过3 倍的暂态过电压。 2 4 空载变压器和电动机分闸过电压 电力系统中的空载( 或轻载) 变压器、消弧线圈、电动机及并联电抗器等均为电感 性元件。对这些设备进行分闸( 断开) 操作时，由于被开断的感性元件中存储的电磁能 量释放产生振荡，将形成分闸过电压【5 以3 1 。 在正常运行时，空载变压器可等值为一激磁电感。因此，切除空载变压器相当于切 除一个小容量的电感负荷。同样，切除电抗器、电动机、消弧圈等电感性负荷时，在这 些操作过程中可能出现幅值较高的过电压。 切除空载变压器也是电网中常见的操作之一，在开断空载变压器操作之前，回路受 工频电压作用，流过电容c ( 变压器等值对地电容与空载变压器侧全部连线及电气设备 对地电容的并联值) 的电流远小于流过电感l ( 空载变压器激磁电感) 中的电流，所以 可以忽略电容c 的存在。流过断路器的电流就是电感电流i ，通常为变压器额定电流的 o 5 4 ，有效值约为几安至几十安。 切除空载变压器的操作是通过断路器完成的，电力的切断过程显然与断路器的灭弧 能力有关。在使用灭弧能力与电流大小有关的断路器时，由于在切断小电流时熄弧能力 较弱，不会产生在电流过零前熄弧的现象。在使用灭弧能力与电流大小关系不大的高压 断路器时，由于断路器的灭弧能力是按切断大电流设计的，当用这种断路器切断较小的 9 真空开关操作过电压分析及其保护研究 激磁电流时，可能在激磁电流到达零点之前发生强制熄灭( 如果激磁电流很小，甚至可 在电流接近最大值时突然截断) ，这就是断路器的截流现象睁1 3 1 。 在切除空载变压器时，绕组中振荡电流产生的主磁通链将通过整个铁芯。因此，变 压器的另一侧对地电容也是参与切空变振荡回路的，应注意按变比关系将电容归算到同 一侧。若变压器接有一段较长的连接线，特别是电缆线，则对地电容值显著增大，切空 变过电压大为降低。由于电磁联系，切空变过电压使变压器各绕组获得同样倍数的过电 压值。考虑到高压绕组绝缘裕度较中、低压侧要小，所以在变压器中、低压侧开断，同 样会威胁到高压绕组的绝缘。 高压感应电动机是感性负载，在开断过程中，断路器也要切断电感性电流，会与切 空变相似而产生过电压，但是，电动机的参数随转差率的变化而变化，开断空载电动机 与开断制动状态的电动机不同，过电压也不一样。开断高压电动机过电压除了与电动机 容量、运行状态和电网参数有关外，更与所使用的断路器类型有关。用少油断路器开断， 主要是由于截流产生的截流过电压；用真空断路器开断，除截流过电压外，还产生三相 同时开断过电压和高频重燃过电压。截流过电压若开断制动状态的电机( 如电机刚启动 时，启动电流很大，引起继电保护动作，断路器开断电机) ，转子绕组转速近于零，电 磁暂态过程与短路变压器类似。转子绕组相当于短接的变压器次级绕组，定子绕组中的 启动电流通常达5 - 6 倍额定电流，断路器的截流值很大，转子绕组电流也比空载时大 很多，从而开断制动状态的电机的截流过电压会远大于切空载电机睁1 3 1 。 在实际工程中，电动机一般通过三相电缆与电源连接，而在电缆芯线间有相间电容。 当首开相截流或重燃产生过电压时，其暂态高频电流通过电磁耦合在其它两相同时感应 出一个高频电流。这些高频电流与原有工频电流叠加，结果使这两相电流过零而被截断。 对于工频来说，上述高频过程极快，可以认为三相截流是同时的，故称三相同时截流过 电压。如果电机容量较大或处于制动状态，则开断的工频电流相应增大，以致叠加的高 ， 频电流不足降到零