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        真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器RC阻容器過電壓抑制仿真試驗(yàn)研究

        2022-09-21 10:40:28廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局唐錦堯黃秋達(dá)
        電力設(shè)備管理 2022年16期

        廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局 唐錦堯 黃秋達(dá)

        關(guān)鍵字:真空斷路器;并聯(lián)電抗器;RC阻容器;過電壓

        1 采用RC 阻容器限制過電壓

        基于真空優(yōu)秀的絕緣性能和滅弧性能,真空斷路器的觸頭在密閉的真空室進(jìn)行工作,在進(jìn)行接通和分?jǐn)嚯娐返牟僮鲿r(shí),其內(nèi)部存在金屬蒸汽離子的分散及再?gòu)?fù)合運(yùn)動(dòng),這個(gè)過程持續(xù)的時(shí)間非常短,因此滅弧的時(shí)間非常短,并且能有效回到原有的最大真空度,此外其開斷能力不會(huì)受到頻繁分合閘操作的影響而下降。所以真空斷路器擁有易維護(hù)、斷流容量大、有利于反復(fù)運(yùn)作等諸多優(yōu)勢(shì),但真空斷路器在工作過程中產(chǎn)生過電壓的弊端較普遍。

        電網(wǎng)供電的安全可靠在如今越發(fā)重要,因此對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求也越發(fā)嚴(yán)格。但工作過程中,過電壓的出現(xiàn)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成極大的威脅,在一定程度上會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性造成嚴(yán)重的影響,為此需要了解過電壓的發(fā)生過程以及本質(zhì)和特征,這對(duì)準(zhǔn)確選用過電壓保護(hù)裝置是非常關(guān)鍵的。真空斷路器在進(jìn)行分合電路的過程中,皆容易產(chǎn)生操作過電壓。真空斷路器的觸頭在進(jìn)行閉合時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)水平差異的彈跳狀態(tài),因此產(chǎn)生過電壓。

        在電路接通時(shí),觸點(diǎn)之間的距離會(huì)隨時(shí)間的增加而越來越小直至消失,觸點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生的過渡電壓會(huì)維持一直下降的狀態(tài),所以過電壓的最大值通常較小,對(duì)系統(tǒng)造成的影響不會(huì)很嚴(yán)重。對(duì)系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定工作造成影響的關(guān)鍵是斷開電路過程中產(chǎn)生的過電壓,在開斷變壓器等設(shè)備的過程中,真空斷路器出現(xiàn)的過電壓可以劃分為截流、三相同時(shí)截流過電壓以及反復(fù)重燃過電壓[1]。

        1.1 截流過電壓

        真空斷路器具有的良好滅弧性能,在分合過程中,能夠在電流過零之前對(duì)電弧進(jìn)行斷開,而在變壓器中還留有截?cái)嚯娏鳎@時(shí)在變壓器電感繞組和散電容之間,余留的能量反復(fù)振蕩從而導(dǎo)致較大過電壓產(chǎn)生。

        1.2 三相同時(shí)截流過電壓

        斷路器在分合弧內(nèi)出現(xiàn)復(fù)燃狀態(tài),此時(shí)該間隙有高頻電產(chǎn)生,另外兩弧間隙中的工頻電流被其帶動(dòng)會(huì)出現(xiàn)快速過零的情況,同時(shí)產(chǎn)生過電壓。

        1.3 反復(fù)重燃過電壓

        真空斷路器在閉合動(dòng)作過程中,滅弧操作是將觸頭分離進(jìn)行的。由于觸頭間的距離很小,在電壓的帶動(dòng)下會(huì)出現(xiàn)復(fù)燃,電氣回路在電弧進(jìn)行復(fù)燃的過程中將產(chǎn)生頻率很高的電流,在進(jìn)行首次的復(fù)燃再滅弧的動(dòng)作之后,斷路器的電壓將變得更大,高頻滅弧在非常快的時(shí)間內(nèi)觸頭間距離又非常小時(shí),可能發(fā)生再次的復(fù)燃,這樣將導(dǎo)致反復(fù)重燃的情況發(fā)生。

        在上述相關(guān)操作過程中容易導(dǎo)致過電壓的產(chǎn)生,這會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成破壞,并且真空斷路器擁有的優(yōu)秀滅弧性能,在開斷時(shí)產(chǎn)生的過電壓會(huì)破壞系統(tǒng)設(shè)備的絕緣,造成相關(guān)設(shè)備異常事故,過電壓的產(chǎn)生對(duì)正常工作的系統(tǒng)設(shè)備威脅較大。所以,為了防止操作過電壓的產(chǎn)生,應(yīng)按要求選擇合適的過電壓保護(hù)裝置,達(dá)到將過電壓對(duì)消甚至清除的效果[2]。

        阻容吸收器總體的結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)明,各相都是通過電容與電阻的串聯(lián)操作連接而成的。阻容吸收器的關(guān)鍵作用是限制開閉和操作過程中產(chǎn)生的過電壓,借此確保發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)部件的安全穩(wěn)定運(yùn)行,在重復(fù)進(jìn)行閉合操作的系統(tǒng)中能起到較大的作用。與電容器有所不同的是,具有阻容吸收器的電路在暫態(tài)過程中能快速產(chǎn)生RLC回路,通過電阻的作用,振蕩的衰減速率能得到進(jìn)一步提升,因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過電壓與陡勢(shì)進(jìn)行抑制。

        阻容吸收器在系統(tǒng)中的作用與并聯(lián)式電容器的作用相仿,在電抗器中加大其支路上電容的數(shù)值,并平滑其原來的過電壓的陡勢(shì),借此達(dá)到減小電壓的振蕩頻率,使斷路器內(nèi)部出現(xiàn)擊穿事故的可能性變小;此外,阻容吸收器通過電路中電阻的存在對(duì)能量進(jìn)行耗盡,減緩高頻電流的提升,同樣起到減小預(yù)擊穿發(fā)生數(shù)量和平滑過電壓陡勢(shì)的效果。阻容吸收器因電弧操作導(dǎo)致的過電壓具備非常優(yōu)秀的限制作用。針對(duì)抑制頻繁預(yù)擊穿情況導(dǎo)致的過電壓,在跟避雷器件進(jìn)行比較下,阻容吸收器具備以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)[3]。

        一是阻容吸收器中具有線性電阻元件,能夠?qū)^電壓產(chǎn)生的額外能量進(jìn)行耗盡,因此可以對(duì)其幅值進(jìn)行有效的抑制。

        二是對(duì)比兩者的保護(hù)作用,阻容吸收器對(duì)外界的抗干擾能力較強(qiáng),而避雷器的抗干擾能力則較弱,在結(jié)構(gòu)內(nèi)中性點(diǎn)處的接線情況,會(huì)引起避雷器與負(fù)載兩者之間絕緣程度的不相匹;而阻容吸收器較好的抗干擾能力,能使其自身與負(fù)載的絕緣程度相適應(yīng)。

        三是阻容吸收器在電阻阻尼促進(jìn)效果的幫助下,電壓的振蕩衰減的速率得到提高且達(dá)到減緩陡度的作用。

        四是阻容吸收器的保護(hù)多樣,但避雷器只有當(dāng)自身兩端的電壓大于閾值時(shí),才能抑制過電壓的產(chǎn)生從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的,若采用單相連接的接線方法,那么將無法有效抑制相間過電壓的產(chǎn)生。

        2 不同安裝位置下RC 阻容器對(duì)過電壓抑制的仿真

        分別在位置a(電抗器首端)和位置b(站用變首端)增加RC 阻容器,仿真圖如圖1所示。仿真分析不同位置下RC 阻容器過電壓的抑制效果。

        圖1 不同位置RC 阻容器仿真圖

        由于目前相關(guān)行業(yè)準(zhǔn)則中,還沒有關(guān)于阻容器相關(guān)參數(shù)的明確規(guī)范,因此未明確阻容吸收器的電容電阻值在各種工作條件下的選取,所以仍須計(jì)算得知,對(duì)于分析不同位置下的過電壓抑制情況,本文在電容0.1μF、電阻150Ω 下進(jìn)行情況分析[4]。

        在位置a(電抗器首端)加裝RC 阻容器時(shí),電抗器處過電壓及站用變處過電壓仿真圖如圖2所示。

        圖2 在電抗器首端加裝RC 阻容器過電壓仿真圖

        在位置b(站用變首端)加裝RC 阻容器時(shí),電抗器處過電壓及站用變處過電壓仿真圖如圖3所示。

        圖3 在電抗器首端加裝RC 阻容器過電壓仿真圖

        同時(shí)在位置a(電抗器首端)和位置b(站用變首端)加裝RC 阻容器時(shí),電抗器處過電壓及站用變處過電壓仿真圖如圖4所示。

        圖4 在位置a 和b 同時(shí)加裝RC 阻容器過電壓仿真圖

        在不同安裝位置RC 阻容器時(shí),電抗器、站用變處過電壓見表1,U1p為電抗器處過電壓、U2p為站用變處過電壓。

        表1 RC 阻容器安裝位置對(duì)過電壓的影響

        由表1中的數(shù)據(jù)可以看出,對(duì)比位置a(電抗器首端)、位置b(站用變首端)同時(shí)加裝RC 阻容器和安裝單一RC 阻容器相比抑制能力沒有明顯的提升,性價(jià)比相對(duì)較低,所以只需安裝單一RC 阻容器即可達(dá)到抑制過電壓效果,根據(jù)不同安裝位置過電壓波形,確定最佳安裝位置為電抗器首端。

        3 不同電阻阻值下RC 阻容器對(duì)過電壓抑制的仿真

        本文選擇RC 阻容器電容值為0.1μF 時(shí),電阻值分別為10Ω、100Ω、200Ω、400Ω、600Ω、800Ω 六種情況下的仿真計(jì)算[5]。

        在電抗器首端安裝不同參數(shù)電阻的RC 阻容器時(shí)。電抗器、站用變處過電壓如表2所示,Ub為電抗器處過電壓、Ud為站用變處過電壓。

        表2 電阻對(duì)過電壓的影響

        由圖5可知,當(dāng)電阻值從10Ω 增加至400Ω 時(shí),電抗器處過電壓幅值出現(xiàn)輕微的降低,站用變處過電壓也出現(xiàn)輕微的波動(dòng);當(dāng)電阻值從400Ω 增加至800Ω 過程中,電抗器處過電壓幅值出現(xiàn)回升現(xiàn)象,占用變出過電壓也出現(xiàn)明顯的上升。雖然隨著電阻值得增加,電抗器處的電壓衰減時(shí)間減少,但是衰減時(shí)間降低速率明顯變慢。所以,最佳選擇電阻范圍為100~400Ω。

        圖5 不同電阻參數(shù)下的過電壓衰減時(shí)間

        4 不同電容容值下RC 阻容器對(duì)過電壓抑制的仿真

        本文選擇RC 阻容器電阻值為100Ω 時(shí),電容值分別為0.05μF、0.1μF、0.15μF、0.2μF 四種情況下的仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

        表3 電容對(duì)過電壓的影響

        由表3可知,當(dāng)電容值從0.05μF 增加至0.1μF 時(shí),電抗器處過電壓幅值隨著電容值得增大出現(xiàn)明顯的降低;當(dāng)電容值為0.05μF 時(shí),站用變處過電壓為26.2kV,限制效果不明顯,當(dāng)電容值從0.1μF 增加至0.2μF 時(shí),站用變處過電壓出現(xiàn)明顯被抑制現(xiàn)象,且隨著電容值增加出現(xiàn)輕微波動(dòng),即電容值在0.1μF 以上時(shí),站用變處過電壓變化不大。

        圖7 站用變首端過暫態(tài)電壓

        5 試驗(yàn)驗(yàn)證

        圖6為#2電抗器首端過暫態(tài)電壓,根據(jù)波形可以看到,在保護(hù)裝置作用下,#2電抗器首端過電壓幅值和頻率都被有效地抑制。

        圖6 #2電抗器首端過暫態(tài)電壓

        6 結(jié)論

        通過將仿真結(jié)果與理論相結(jié)合分析得到,在斷路器分閘時(shí),分閘過電壓受RC 阻容器的影響,斷路器斷口電壓的幅值始終小于斷口絕緣強(qiáng)度,從而促使重燃過程被消滅,電抗器處和站用變處過電壓得到很好的抑制。

        一是在位置a(電抗器首端)加裝RC 阻容器時(shí),能明顯阻礙電抗器處和站用變處過電壓的產(chǎn)生;在位置b(站用變首端)加裝RC 阻容器時(shí),只能有效阻礙后者過電壓的產(chǎn)生,而不能有效防止電抗器處過電壓的產(chǎn)生。兩個(gè)位置對(duì)站用變處過電壓的阻礙作用基本相同。

        二是RC 阻容器的電阻主要影響過電壓幅值的衰減時(shí)間,隨著電阻值的增大,衰減時(shí)間逐漸減少。電阻值與衰減時(shí)間呈非線性關(guān)系,隨著電阻越來越大,衰減時(shí)間減小的速率越來越慢。

        三是RC 阻容器的電容主要影響過電壓的幅值大小,而幅值的大小與電容成凹函數(shù)曲線,即先隨著電容的增大而減小,后隨著電容的增大而增大。

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