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        基于真空斷路器投切并聯(lián)電容器的過電壓分析及防護(hù)探究

        2017-06-08 16:28:32鐘健強(qiáng)

        鐘健強(qiáng)

        摘 要:為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量要求,變電站內(nèi)的無功補(bǔ)償裝置應(yīng)優(yōu)先考慮采用投資少,損耗小并且可分組投切的并聯(lián)電容器。本文首先分析真空斷路器的結(jié)構(gòu),再基于真空斷路器投切并聯(lián)電容器過程中產(chǎn)生過電壓的原理,探究過電壓防護(hù)的有效措施。

        關(guān)鍵詞:真空斷路器;并聯(lián)電容器;過電壓保護(hù)

        中圖分類號(hào):TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        為了減少線損,提高電能質(zhì)量及功率因數(shù),大部分的變電站裝設(shè)了大容量的并聯(lián)補(bǔ)償電容器組,其可隨著系統(tǒng)的電壓和功率的變化自動(dòng)投切。并聯(lián)電容器裝置是由并聯(lián)電容器和相應(yīng)的一次及二次配套設(shè)備組成,并聯(lián)連接于三相交流電力系統(tǒng)中,能完成投運(yùn)的一套設(shè)備。其一般裝設(shè)在變壓器的低壓側(cè),當(dāng)條件允許時(shí),應(yīng)裝設(shè)在變壓器的主要負(fù)荷側(cè)。并聯(lián)電容器裝置應(yīng)設(shè)置滿足電容器投切要求的專用斷路器或負(fù)荷開關(guān),目前國(guó)內(nèi)一般選用真空斷路器。本文首先介紹真空斷路器的結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上分析其投切過程容易產(chǎn)生的涌流和重燃兩大問題,并提出了優(yōu)化措施。

        1.真空斷路器

        真空斷路器的滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是真空,其具有良好的滅弧性能。如圖1所示,真空斷路器的主要部件是一個(gè)真空泡滅弧室,滅弧性能比油和SF6氣體作為介質(zhì)的斷路器滅弧性能都要良好得多。真空斷路器具有以下特點(diǎn):一是體積小、質(zhì)量輕;二是觸頭開距小,只有10mm左右,分合閘行程短;三是燃弧時(shí)間段,且與電流無關(guān)。燃弧后觸頭間隙介質(zhì)恢復(fù)快;四是觸頭的電氣壽命長(zhǎng),額定電流開斷達(dá)5000次以上,適合于頻繁操作;五是適用于開斷容性負(fù)荷電流。所以,真空斷路器在電容器組的頻繁投切操作中應(yīng)用非常普及。

        2.真空斷路器投切電容器組過電壓分析

        用真空斷路器投切電容器組通常會(huì)存在3個(gè)問題:截流過電壓、復(fù)燃過電壓和重燃過電壓。

        2.1 截流過電壓

        截流過電壓是指電容器組在投入瞬間,電流若過零點(diǎn),由于真空斷路器的截流作用,電容器組由于其串聯(lián)的電抗線圈及雜散電容中的能量在回路中發(fā)生高頻振蕩作用產(chǎn)生很高的恢復(fù)電壓。

        如式(1)所示,真空斷路器擊穿電弧復(fù)燃,其觸頭間距加大后絕緣強(qiáng)度越大而電弧再次熄滅。這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致電壓不斷上升直到電弧不再被熄滅為止。這個(gè)過程和斷開電容器組發(fā)生復(fù)燃過程(2.1將提到)很類似,同樣會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓。

        2.2 重燃過電壓

        斷路器重燃是指退出電容器組的時(shí)候,斷路器的斷開間發(fā)生重燃并產(chǎn)生過電壓,危害電容器組及相關(guān)設(shè)備。在自動(dòng)投切電容器組很頻繁的變電站要尤其注意電容器組斷路器的重燃。

        如圖2所示,電容電壓Uc=Us,當(dāng)電流過零點(diǎn)時(shí)電弧熄滅,Uc=-Usm,但電源電壓以正弦規(guī)律變化,真空短路器的斷口兩端的恢復(fù)電壓Uf=Us-Usm。當(dāng)電源電壓達(dá)到峰值時(shí),恢復(fù)電壓Uf=2Usm。若斷路器的斷口介質(zhì)絕緣強(qiáng)度不夠,就會(huì)發(fā)生擊穿,而產(chǎn)生斷路器重燃。重燃發(fā)電時(shí)將產(chǎn)生高頻振蕩,若電弧在高頻電流波形的過零時(shí)熄滅,電容電壓將達(dá)到最大值,Uc=3Usm,并保持不變。當(dāng)電壓到達(dá)下半峰值時(shí),斷口的恢復(fù)電壓Uf=4Usm,電容電壓可高達(dá)Uc=5Usm。因此重燃產(chǎn)生的高電壓將嚴(yán)重威脅電容器組及斷路器等設(shè)備的絕緣。

        真空斷路器的觸頭有固定的不同期性,在電容退出的過程中其中性點(diǎn)容易產(chǎn)生位移,導(dǎo)致重燃過電壓會(huì)更高。而分閘時(shí)相位具有隨機(jī)性,相位越大出現(xiàn)重燃過電壓的幾率越高。同時(shí),電源容量越小,重燃過電壓的幅值也就越高,對(duì)真空斷路器的考驗(yàn)越大。

        2.3 復(fù)燃過電壓

        復(fù)燃過電壓是指真空斷路器在投切電容時(shí),負(fù)荷側(cè)的暫態(tài)電壓和上升率大于真空斷路器的斷口的絕緣介質(zhì)的恢復(fù)速度和能力,電弧將斷口擊穿并產(chǎn)生復(fù)燃。復(fù)燃相上有很高的過電壓,并在其他相上感應(yīng)過電壓。若出現(xiàn)高頻暫態(tài)電流過零點(diǎn),真空斷路器會(huì)再次滅弧截流,但若重復(fù)出現(xiàn)上述現(xiàn)象,將不斷重復(fù)“擊穿—滅弧”的過程,直到真空斷路器的絕緣強(qiáng)度足夠大而停止。負(fù)荷側(cè)的暫態(tài)恢復(fù)電壓及其上升率越高,斷路器發(fā)生復(fù)燃過電壓的幾率越大。

        3.防護(hù)措施

        截流過電壓主要是由于投入電容器組時(shí)真空斷路器合閘過程中,與電容器組串聯(lián)的電抗和雜散電容之間發(fā)生諧振而產(chǎn)生的過電壓。而同樣,在電容器組分閘的過程中,重燃和復(fù)燃產(chǎn)生過電壓。過電壓損害電容器組及其相關(guān)設(shè)備,使其不能正常使用。因此,除了選用性能良好,重燃率很低的斷路器之外,一般在串聯(lián)電抗側(cè)加裝阻容裝置、避雷器或并聯(lián)電容器的方法,降低過電壓的幅值和頻率來抑制截流過電壓。其中避雷器的技術(shù)比較成熟且成本低、體積小及安裝方便,可有效防護(hù)真空斷路器在合閘過程中產(chǎn)生截流過電壓,在串聯(lián)電抗側(cè)安裝避雷器時(shí)廣泛應(yīng)用好方法,而選中避雷器時(shí)一般都選用氧化鋅避雷器,其具有以下優(yōu)點(diǎn)。

        氧化鋅避雷器選用氧化鋅電阻片,比普通的碳化硅具有更好的非線性特性,如圖3所示。在同樣的滅弧電壓U2下,氧化鋅電阻的電流為1mA,而碳化硅電阻的電流卻達(dá)到了400A。其具有以下特性:一是氧化鋅避雷器只吸收超過起始的動(dòng)作電壓(對(duì)設(shè)備絕緣有害的過電壓),比碳化硅避雷器負(fù)擔(dān)輕;二是氧化鋅避雷可承受多重雷擊,通流能力大,為碳化硅避雷器的2~5倍;三是有很好的響應(yīng)特性,在陡波的作用下殘壓增高為碳化硅的1/4,一般只有5%~12%而已;四是體積較小,質(zhì)量很輕,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便。所以一般都是裝設(shè)氧化鋅避雷器以保證電容器組的正常運(yùn)行。同時(shí),在真空斷路器正式投入運(yùn)行前應(yīng)該進(jìn)行大量的彈跳試驗(yàn)和重燃率試驗(yàn)和老練一段時(shí)間以減少重燃次數(shù)。

        結(jié)語(yǔ)

        截流過電壓、斷路器重燃和復(fù)燃是真空斷路器投切電容器組時(shí)最常見的問題。本文在介紹真空斷路器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析這三大問題并提出了優(yōu)化的措施,對(duì)電容器組的投切操作的保護(hù)有積極的意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1]吉亞民,周志成,馬勇,等.真空斷路器投切并聯(lián)電抗器過電壓故障分析[J].江蘇電機(jī)工程,2014,33(2):12-14.

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