浅析真空断路器开断电抗器操作过电压产生的原因及抑制措施

浅析真空断路器开断电抗器操作过浅析真空断路器开断电抗器操作过 电压产生的原因及抑制措施电压产生的原因及抑制措施 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 1 产生操作过电压的原因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 1 截流过电压 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 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 c lk cs 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 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 2 抑制操作过电压的措施抑制操作过电压的措施 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 1010 1011 m 漏电流极小 相当于一绝缘体 而当电场强度 达到 106 107v m 时 其电阻率迅速下降至低电阻状态 因而 可使过电压能量迅速泄放 达到限制过电压进一步升高的目的 金属氧化物避雷器与阀式避雷器相比 不仅具有结构简单 体积小 通流容量大 使用寿命长的优势 而且由于其非线性 特性 残压低 抑制过电压能力强 动作电流也比阀式避雷器 偏低 对