李 陽(yáng)

(國(guó)網(wǎng)四川大邑供電公司，成都 611330)

基于PSCAD的斷路器開斷電容器重?fù)舸┈F(xiàn)象暫態(tài)仿真

李 陽(yáng)

(國(guó)網(wǎng)四川大邑供電公司，成都 611330)

開斷并聯(lián)電容器組時(shí)，由于斷路器動(dòng)、靜觸頭間隙重?fù)舸⒁l(fā)嚴(yán)重的操作過電壓，降低電氣設(shè)備絕緣水平，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。為此，本文分析了開斷單相電容器和三相電容器產(chǎn)生過電壓的機(jī)理，在PSCAD軟件中搭建了考慮絕緣介質(zhì)強(qiáng)度暫態(tài)恢復(fù)特性的斷路器分閘暫態(tài)模型，仿真了斷路器發(fā)生多次重?fù)舸r(shí)，斷路器電流電壓以及電容器極間電壓特性。仿真結(jié)果與理論分析基本一致，證明了暫態(tài)模型的正確性。

斷路器；電容器; 重?fù)舸? PSCAD； 操作過電壓

電力電容器是電力系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用的無功補(bǔ)償裝置，它能夠提高用戶功率因數(shù)，降低輸電線路損耗，改善電能質(zhì)量。斷路器在開斷容性小電流時(shí)會(huì)發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象，帶來嚴(yán)重的重?fù)舸┻^電壓，將大大降低電容器組極間及其鄰近電氣設(shè)備的絕緣水平，縮短斷路器的電氣壽命，影響電網(wǎng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行[1-8]。

斷路器的重?fù)舸┡c動(dòng)、靜觸頭間隙的絕緣介質(zhì)恢復(fù)和斷口暫態(tài)恢復(fù)相關(guān)。斷路器分閘時(shí)電流過零后1/4工頻周期動(dòng)、靜觸頭間隙擊穿稱為重燃，1/2工頻周期動(dòng)、靜觸頭間隙擊穿稱為重?fù)舸Ｖ厝蓟蛑負(fù)舸┙阅芤l(fā)操作過電壓，因此有必要對(duì)開斷容器的暫態(tài)過程進(jìn)行仿真分析，為抑制過電壓研究提供支持。文獻(xiàn)[2]采用EMTP仿真軟件通過控制斷路器的分閘時(shí)間以及重合閘來模擬重燃過電壓現(xiàn)象，文獻(xiàn)[3]對(duì)切除并聯(lián)電容器組導(dǎo)致兩相重燃進(jìn)行了建模，但均沒有對(duì)重?fù)舸C(jī)理進(jìn)行研究。本文在斷口耐受電壓與系統(tǒng)恢復(fù)電壓相互作用的基礎(chǔ)上，建立斷路器分閘暫態(tài)模型，對(duì)10kV開斷單相電容器的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，研究斷路器開斷電容器發(fā)生重?fù)舸r(shí)，斷路器電壓電流與電容器極間電壓的變化規(guī)律。

1 電容器開斷暫態(tài)過程分析

1.1 開斷單相電容器

斷路器開斷單相電容器組的等效電路如圖1所示。圖1中，Us為電源電壓，R為線路電阻，L為線路等效電感，C為電容器電容。

圖1 開斷單相電容器等效電路Fig.1 Equivalent circuit of switching off single phase capacitor

設(shè)電源電壓Us=Umcosωt，當(dāng)ωL<<1/ωC時(shí)，電容電壓Uc≈Us，且電容電流超前電源電壓90°。當(dāng)斷路器觸頭分離，電流過零電弧熄滅時(shí)，電容器電壓Uc為Um，斷路器兩端的暫態(tài)恢復(fù)電壓為

UTRV=Um-Umcosωt

電弧熄滅1/2工頻周期后，UTRV達(dá)到最大值2Um。如果斷路器觸頭間隙的絕緣介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度較慢，不能承受觸頭兩端的暫態(tài)恢復(fù)電壓，斷口將會(huì)發(fā)生重?fù)舸?，電容上將出現(xiàn)高頻振蕩電壓和高頻電流。當(dāng)高頻電流過零時(shí)，系統(tǒng)電源再次對(duì)電容器充電，造成電容器組上的電壓倍增，使斷路器多次重?fù)舸?。圖2為單組電容器開斷過程中電流和電壓波形。

圖2 開斷單相電容器的電流和電壓波形Fig.2 Current and voltage waves of switching off single-phase capacitor

單相電容器組開斷過程中出現(xiàn)的多次重?fù)舸?huì)導(dǎo)致電容器上產(chǎn)生很高的過電壓，對(duì)電容器和其他一次設(shè)備的絕緣造成危害。

1.2 開斷三相電容器組

開斷星形中性點(diǎn)接地的電容器組，斷路器斷口暫態(tài)恢復(fù)電壓與單相電容器相同；對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，需要考慮首開相剩余電壓與其余兩相電容的作用。開斷三相電容器組的等效電路如圖3所示。

圖3 開斷三相電容器組等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of switching off three phase capacitor banks

在t=0時(shí)，A相為首先開斷相，該相電源與電容器隔斷，由于電容器組上的電壓不能突變，則三相電容器電壓為

UaN=Um,UbN=0.5Um,UcN=-0.5Um

此后B、C兩相構(gòu)成新的暫態(tài)回路，B、C兩相電源疊加到電容器組上，則兩相電容器組電壓為

A相電弧電流熄滅1/4周期后，B、C兩相電弧均過零熄滅，三相電容器組極間電壓為

UaN=-Um,UbN=-0.37Um,UcN=-1.37Um

則三相斷路器斷口暫態(tài)恢復(fù)電壓為

由此可知，A相電弧過零10 ms后，斷口暫態(tài)恢復(fù)電壓達(dá)到最大值2.5Um；16.7 ms時(shí)B相暫態(tài)恢復(fù)電壓達(dá)到最大值1.87Um；13.3 ms 時(shí)C相暫態(tài)恢復(fù)電壓達(dá)到最大值-1.87Um。首開相的暫態(tài)恢復(fù)電壓在1/2周期時(shí)最先達(dá)到最大值，與開斷單相電容器的恢復(fù)電壓性質(zhì)相似。因此對(duì)于中性點(diǎn)不接地的三相電容器組，本文重點(diǎn)研究首開相斷路器的重?fù)舸﹩栴}。

2 仿真系統(tǒng)的建立

圖4為四川省某變電所10 kV側(cè)主接線圖，用于無功補(bǔ)償?shù)膬陕冯娙萜鞑⒙?lián)接在10 kV一段的母線側(cè)，且與電抗器串聯(lián)。

圖4 10kV無功補(bǔ)償裝置接線Fig.4 10kV reactive power compensation device connection

2.1 仿真電路

仿真電路如圖5所示。根據(jù)該變電所建立切除10 kV單相電容器組的暫態(tài)仿真系統(tǒng)，采用等效電壓代替三繞組變壓器低壓側(cè)，電源等效電感為1 mH，并聯(lián)電容器電容器型號(hào)為BFM，額定容量334 kVar，電容值26.36 μF，電容器兩側(cè)端電壓為Vload，仿真忽略雜散電容對(duì)仿真的影響。

圖5 單相仿真電路Fig.5 Single phase simulation circuit

2.2 斷路器模型介紹

當(dāng)施加在斷口的暫態(tài)恢復(fù)電壓大于動(dòng)、靜觸頭間的絕緣恢復(fù)強(qiáng)度時(shí)，斷口被擊穿，因此斷路器開斷電容器組的重?fù)舸┈F(xiàn)象與絕緣介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度和暫態(tài)恢復(fù)電壓動(dòng)態(tài)“競(jìng)爭(zhēng)”相關(guān)。為了能真實(shí)反映斷路器的重?fù)舸┈F(xiàn)象，在PSCAD中通過邏輯時(shí)序電路產(chǎn)生的控制信號(hào)來觸發(fā)斷路器模塊分閘，將開斷時(shí)刻的絕緣介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度ud與暫態(tài)恢復(fù)電壓UTRV輸入到比較器Comparator模塊中進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)ud小于UTRV時(shí)，比較器輸出為1，觸發(fā)斷路器重合閘，從而模仿其重?fù)舸D6為斷路器控制模塊流程圖，圖7為斷路器重?fù)舸┓庋b模型。

圖6 斷路器重?fù)舸┊a(chǎn)生流程Fig.6 Breaker restrike process

圖7 斷路器重?fù)舸┠Ｐ虵ig.7 Breaker restrike model

首先斷路器收到分閘命令開斷，此時(shí)判斷斷路器電流Ib是否過零，電流過零后斷口產(chǎn)生暫態(tài)恢復(fù)電壓UTRV，同時(shí)動(dòng)、靜觸頭間的絕緣介質(zhì)強(qiáng)度開始恢復(fù)，并與暫態(tài)恢復(fù)電壓進(jìn)行比較。若UTRV大于ub，則滿足重?fù)舸┌l(fā)生的條件，將有高頻電流產(chǎn)生，判斷高頻電流的陡度是否滿足斷路器高頻電流熄滅的條件，如果滿足則斷路器開斷成功。

2.3 仿真結(jié)果分析

仿真步長(zhǎng)選擇0.5 μs,斷路器在40 ms內(nèi)發(fā)生4次重?fù)舸┑碾娏麟妷翰ㄐ稳鐖D8所示。圖8(a)為斷口暫態(tài)恢復(fù)電壓波形，圖8(b)為斷路器電流波形。重?fù)舸┌l(fā)生的相位為暫態(tài)恢復(fù)電壓峰值處，重?fù)舸╇妷阂来螢?6.3，-32.5，48.7，-64.9 kV，具有明顯的級(jí)升效應(yīng)。對(duì)應(yīng)的電流分別為2.6，-5.3，7.4，-10.4 kA，斷路器每發(fā)生一次重?fù)舸?，流過的脈沖電流持續(xù)0.5 ms。

圖8 斷路器電流電壓波形Fig.8 Breaker current and voltage waves

圖9為電容器端電壓波形。斷路器在電弧電流過零時(shí)開斷，此時(shí)電容器極間電壓為系統(tǒng)電壓峰值8.2 kV并保持不變。10 ms后動(dòng)、靜觸頭間隙擊穿，電容器極間電壓迅速上升到3倍系統(tǒng)電壓峰值。10 ms后動(dòng)、靜觸頭間隙再次被擊穿，電容器極間電壓迅速上升到40 kV，因此斷路器發(fā)生重?fù)舸?，電容器端電壓呈奇?shù)倍增長(zhǎng)。第4次重?fù)舸┖?，電容器端電壓?2.9 kV，這種過電壓又稱為級(jí)升過電壓。仿真結(jié)果與理論分析一致，顯然已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容器絕緣要求。電容器正常工作電壓一般小于1.1倍額定電壓，在1.3倍額定電壓下，電容器允許工作時(shí)長(zhǎng)不超過1 min。而重?fù)舸┻^電壓持續(xù)時(shí)間僅為數(shù)十個(gè)毫秒，但幅值很大，必須采取有效措施抑制重?fù)舸┻^電壓，如切除電容器組時(shí)采用RC阻容吸收器、避雷器，使用重?fù)舸└怕实偷臄嗦菲鞯取?/p>

圖9 電容器端電壓波形Fig.9 Capacitor terminal voltage waves

3 結(jié) 論

1) 在PSCAD軟件中搭建考慮斷路器絕緣介質(zhì)恢復(fù)與系統(tǒng)電壓作用的斷路器分閘暫態(tài)模型能夠準(zhǔn)確描述斷路器分閘發(fā)生的重?fù)舸┈F(xiàn)象；斷路器發(fā)生重?fù)舸┑臅簯B(tài)電流電壓和電容器端電壓與理論分析基本一致，驗(yàn)證了斷路器分閘暫態(tài)模型的正確性。

2) 仿真斷路器開斷電容器發(fā)生的一次或多次重?fù)舸?dǎo)致電容器極間電壓呈奇數(shù)倍增長(zhǎng)，即產(chǎn)生級(jí)升過電壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電容器爆炸，必須采取有效措施降低斷路器的重?fù)舸└怕省?/p>

[1] 錢家驪,張節(jié)容,徐國(guó)政,等.高壓開關(guān)開合電容電流和小電感電流 [ M] .北京:中國(guó)電力出版社，1999.QIAN Jiali,ZHANG Jierong,XU Guozheng,et al.High voltage switch switching capacitive current and small inductance current[M].Beijing: China Power Press,1999.

[2] 張森峰,商立群.并聯(lián)電容器組分閘重燃過電壓仿真[J].高壓電器，2011，47(12)：1-5.ZHANG Senfeng,SHANG Liqun.Simulation of restrike overvoltage due to switching off shunt capacitor bank[J].High Voltage Apparatus,2011,47(12): 1-5.

[3] DULLNI E,SHANG W,GENTSCH D,et al.Switching of capacitive currents and the correlation of restrike and pre-ignition behavior[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2006,13(1):65-71.

[4] 林莘,夏亞龍,劉衛(wèi)東,等.電容器組投切用SF_6斷路器介質(zhì)恢復(fù)特性數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(17):161-171.LIN Xin,XIA Yalong,LIU Weidong,et al.The numerical computation and experiment research on dielectric recovery characteristics of SF6 circuit breaker for switching capacitor bank[J].Transactions of China Electro- technical Society,2015,30(17): 161-171.

[5] ZADEH M K,HINRICHSEN V,SMEETS R,et al.Field emission currents in vacuum breakers after capacitive switching[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2011,18(3):910-917.

[6] SMEETS R P P,KUIVENHOVEN S,CHAKRABORTY S,et al.Field electron emission current in vacuum interrupters after large inrush current[C]//International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.IEEE,2012:157-160.

[7] YANG He,GENG Yingsan,LIU Zhiyuan,et al.Capacitive switching of vacuum interrupters and inrush currents [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2014,21(1): 159-170.

[8] 顏湘蓮,李志兵，王承玉.特高壓輸電工程中選相斷路器開合電容器組特性分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(7)：1772-1778.YAN Xianglian,LI Zhibing,WANG Chengyu.Analysis on characteristics of phase-selectable circuit breaker for switching capacitor banks in UHV power transmission project [J] .Power System Technology,2014,38(7): 1772-1778.

(編輯 侯世春)

Transient simulation of restrike phenomenon of circuit breaker when switching off capacitor based on PSCAD

LI Yang

(State Grid Sichuan Dayi Electric Power Co.,Ltd,Chengdu 611330,China)

When shunt capacitor banks are switched off,restrike in the gap of moving and stationary breaker contacts will result in serious switching overvoltage,,which can decrease insulation level of electric equipment and even affect stable operation in power grid.Therefore,in this paper,the mechanism of overvoltage caused when single phase capacitor and three-phase capacitor are switched off is analyzed,a transient model of breaker’s opening is built in PSCAD software considering the transient recovery characteristics of dielectric strength and the characteristics of breaker’s curent and voltage as well as characteristics of capacitor’s voltage between teo electrodes are simulated when restrike happens for multiple times in breaker.The simulation results are basically consistent with the theoretical analysis,verifying the correctness of transient model.

breaker; capacitor; restriking; PSCAD; switching overvoltage

2017-02-06；

2017-05-16。

李 陽(yáng)(1990—)，男，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)的工作。

TM561+TM713

A

2095-6843(2017)04-0327-04