吉亞民，周志成，馬 勇，秦延山，謝天喜

(1.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京 211102；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

隨著城市電網(wǎng)中110 kV 和220 kV 電壓等級(jí)長(zhǎng)電纜輸電線路的廣泛應(yīng)用，需要在主變低壓側(cè)使用并聯(lián)電抗器對(duì)線路的容性無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償以控制線路末端電壓。目前，10 kV 和20 kV 并聯(lián)電抗器均采用真空斷路器，而35 kV 并聯(lián)電抗器的投切則通常采用SF6斷路器，少量使用真空斷路器。真空斷路器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、滅弧能力強(qiáng)、可頻繁操作、維護(hù)方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是在利用其切除電抗器時(shí)卻極易因截流、重燃而產(chǎn)生很高的操作過(guò)電壓，對(duì)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅[1，2]。近年來(lái)，多次發(fā)生真空斷路器投切并聯(lián)電抗器操作過(guò)電壓導(dǎo)致所用變、母聯(lián)開(kāi)關(guān)閃絡(luò)等故障[3，4]。

1 故障實(shí)例

2012年5 月1 日08：10，某220 kV 變電站20 kV 1 號(hào)接地變104 開(kāi)關(guān)、2 號(hào)主變變?nèi)齻?cè)分支一102開(kāi)關(guān)故障跳閘。接地變保護(hù)裝置過(guò)流保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)均動(dòng)作出口跳開(kāi)104 開(kāi)關(guān)，故障電流約為318 A；2 號(hào)主變后備保護(hù)裝置低壓分支一復(fù)壓閉鎖過(guò)流Ⅱ段動(dòng)作出口跳開(kāi)102 開(kāi)關(guān)，故障電流約為16 000 A；101 開(kāi)關(guān)無(wú)保護(hù)動(dòng)作跳閘，跳閘時(shí)一次電流為1000 A 左右。故障發(fā)生時(shí)的系統(tǒng)接線圖如圖1 所示。

在20 kV 設(shè)備區(qū)內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)室內(nèi)有濃煙冒出。發(fā)現(xiàn)母聯(lián)A10 開(kāi)關(guān)柜燒毀，柜內(nèi)保護(hù)裝置燒毀嚴(yán)重，柜體已變形無(wú)法拉出，相鄰A101 隔離開(kāi)關(guān)也無(wú)法拉出，打開(kāi)A10 開(kāi)關(guān)柜后網(wǎng)門發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)A 相與母線間有明顯放電灼燒痕跡。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析，故障原因?yàn)榍谐? 號(hào)電抗器時(shí)，在電抗器兩端產(chǎn)生較高幅值過(guò)電壓，開(kāi)關(guān)發(fā)生重燃后，母線上也出現(xiàn)較高過(guò)電壓引起20 kV 母聯(lián)A10 開(kāi)關(guān)發(fā)生故障。另外某變電站35 kV電抗器采用的真空開(kāi)關(guān)，在切除該電抗器時(shí)，多次發(fā)生接在母線上的站用變相間放電故障?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過(guò)電壓較高，超出了設(shè)備絕緣水平，且避雷器未起到防護(hù)作用。后來(lái)將真空斷路器更換為SF6斷路器，運(yùn)行正常。

圖1 變電站20 kV 側(cè)主接線運(yùn)行方式

2 真空斷路器投切電抗器過(guò)電壓分析

真空斷路器切除電抗器操作過(guò)電壓主要有截流過(guò)電壓、復(fù)燃過(guò)電壓和重燃過(guò)電壓等[5，6]。

2.1 截流過(guò)電壓

真空斷路器在開(kāi)斷電抗器時(shí)，因真空斷路器的滅弧能力強(qiáng)，會(huì)使電流強(qiáng)迫過(guò)零而產(chǎn)生截流。并聯(lián)電抗器等效回路以電容、電感為主，這種回路的電壓電流是不能突變的，截流必然引起劇烈的電磁振蕩。忽略阻尼作用，根據(jù)能量守恒定律可推導(dǎo)出單相電抗器截流過(guò)電壓的估計(jì)值：

式（1）中：L為電抗器電感量；Ich為截流幅值；C為電抗器繞組對(duì)鐵心、電纜等對(duì)地的等效電容；Um為等效電容上的電壓最大值；U0為等效電容上的初始電壓。

振蕩頻率為：

由式（2，3）可以看出真空斷路器截流值越高、雜散電容越小，截流過(guò)電壓越高。三相系統(tǒng)的截流過(guò)電壓更為復(fù)雜，但其原理基本相同。

2.2 復(fù)燃過(guò)電壓

斷路器在開(kāi)斷時(shí)，如果被開(kāi)斷的負(fù)荷側(cè)暫態(tài)恢復(fù)電壓及其上升率高于斷口絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)能力和恢復(fù)速度，電弧就會(huì)在瞬間將斷口擊穿，產(chǎn)生復(fù)燃，并在復(fù)燃相上產(chǎn)生復(fù)燃過(guò)電壓，在其他相上產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，隨后高頻暫態(tài)電流出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，斷口再次滅弧，再次截流。如果被開(kāi)斷的負(fù)荷側(cè)暫態(tài)恢復(fù)電壓及其上升率仍然高于斷口絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)能力和恢復(fù)速度，就會(huì)再次重復(fù)“擊穿—滅弧”的過(guò)程，直到斷口的絕緣強(qiáng)度足夠大，不再產(chǎn)生復(fù)燃。在真空斷路器開(kāi)斷并聯(lián)電抗器時(shí)，其暫態(tài)恢復(fù)電壓主要由截流引起，因此截流過(guò)電壓的頻率直接體現(xiàn)了暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率;很高的頻率導(dǎo)致很高的暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率，很高的暫態(tài)恢復(fù)電壓和暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率導(dǎo)致很高的復(fù)燃幾率。

2.3 重燃過(guò)電壓

一般情況下真空斷路器的重燃是由于滅弧室制造時(shí)沒(méi)有進(jìn)行老煉造成的，在真空滅弧室采取老煉措施后，真空斷路器的重燃幾率很低。重燃和多次重燃的過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程與復(fù)燃的過(guò)程類似，多次重燃的過(guò)電壓水平也是很高的。真空斷路器在開(kāi)斷電抗器時(shí)，因真空斷路器的滅弧能力強(qiáng)，會(huì)使電流強(qiáng)迫過(guò)0 而產(chǎn)生截流，由截流產(chǎn)生較高的過(guò)電壓可能使觸頭重燃，從而會(huì)有更高的過(guò)電壓出現(xiàn)，必須采取過(guò)電壓保護(hù)措施。在幾次故障中，系統(tǒng)均安裝了避雷器，但未起到防護(hù)效果。常規(guī)氧化鋅避雷器只能限制過(guò)電壓幅值，不能改變頻率和陡度，也不能保護(hù)相間絕緣。為了抑制過(guò)電壓，可考慮加裝并聯(lián)電容器（或阻容吸收裝置），降低過(guò)電壓幅度，也可降低過(guò)電壓的頻率。

3 建模計(jì)算

以該變電站20 kV 側(cè)主接線運(yùn)行方式（如圖1 所示）為背景進(jìn)行建模。電抗器每相電抗為0.318 H，20 kV 碼唐2 號(hào)為一段1 km的電纜線路，假定6 號(hào)電抗器的斷路器A 相發(fā)生截流，B 相、C 相電流過(guò)0 關(guān)斷，對(duì)截流過(guò)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算。母線及系統(tǒng)其他雜散電容考慮2000 pF，電源、主變、接地變等采用典型參數(shù)。

當(dāng)假設(shè)母線上只有6 號(hào)電抗器投入運(yùn)行，在6 號(hào)電抗器并聯(lián)1 組電容器，每組電容分別為0.3 μF，0.5 μF，1 μF，2 μF 和3 μF。當(dāng)切除6 號(hào)電抗器時(shí)，計(jì)算5 A 截流值下20 kV的過(guò)電壓水平。母線上過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 不同并聯(lián)電容值下的母線過(guò)電壓水平

圖3 母線的過(guò)電壓典型波形

由圖2 計(jì)算結(jié)果可知：并聯(lián)電容后可明顯降低母線的截流過(guò)電壓水平，并聯(lián)電容越大，過(guò)電壓水平越低，加裝電容器后，過(guò)電壓水平處在2.0 p.u.以內(nèi)；并聯(lián)電容分別為0.1 μF，0.2 μF，0.3 μF，0.5 μF，1 μF，2 μF和3 μF時(shí)，過(guò)電壓水平分別降低53.16%，53.81%，54.45%，55.53%，58.10%，62.42%和65.92%。電容值在0.3 μF 之后，過(guò)電壓的降低程度不明顯。電抗器側(cè)的過(guò)電壓水平如圖4、圖5 所示。

圖4 不同并聯(lián)電容值下電抗器過(guò)電壓水平

圖5 電抗器的過(guò)電壓典型波形

由圖4 計(jì)算結(jié)果可知：電抗器上并聯(lián)電容器組后，電抗器的過(guò)電壓水平明顯降低，電容大于0.1 μF時(shí)，電抗器上過(guò)電壓水平在1.4 p.u.以內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）真空斷路器在開(kāi)斷并聯(lián)電抗器時(shí)，因真空斷路器的滅弧能力強(qiáng)，會(huì)使電流強(qiáng)迫過(guò)0 而產(chǎn)生截流，由截流產(chǎn)生較高的過(guò)電壓可能使觸頭重燃，從而會(huì)有更高的過(guò)電壓出現(xiàn)。所以對(duì)于35 kV 并聯(lián)電抗器應(yīng)采用SF6斷路器，而目前10 kV 和20 kV 開(kāi)關(guān)柜均采用真空斷路器，必須采取過(guò)電壓抑制措施。

（2）常規(guī)氧化鋅避雷器只能限制過(guò)電壓幅值，不能改變頻率和陡度，不能保護(hù)相間絕緣。從故障現(xiàn)象和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果看，斷路器在開(kāi)斷并聯(lián)電抗器時(shí)相間過(guò)電壓較高，導(dǎo)致設(shè)備相間故障。

（3）為了抑制過(guò)電壓，可考慮加裝并聯(lián)電容器（或阻容吸收裝置），降低過(guò)電壓幅度，也可降低過(guò)電壓的頻率。并可加裝相間避雷器，進(jìn)一步抑制相間過(guò)電壓。并聯(lián)電容器（或阻容吸收裝置）和避雷器的參數(shù)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)情況計(jì)算確定。

（4）真空斷路器截流是其開(kāi)斷并聯(lián)電抗器產(chǎn)生過(guò)電壓的主要原因，本文建模計(jì)算5 A 截流值下的過(guò)電壓水平，如果截流值超過(guò)5 A，過(guò)電壓還將大幅升高。真空斷路器制造廠應(yīng)采取措施，降低截流值。

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