國網(wǎng)無錫供電公司 王琰

1 引言

真空開關(guān)由于其結(jié)構(gòu)簡單可靠，使用壽命長，因而被廣泛地用于電力系統(tǒng)。但是，35kV并聯(lián)電抗器在投切時，會出現(xiàn)截流、復(fù)燃、等值截流等問題[1-2]。近幾年，由于35kV 并聯(lián)式電抗器運(yùn)行過電壓，致使開關(guān)柜、站用變乃至主變等設(shè)備出現(xiàn)故障[3]。35kV并聯(lián)式電抗器在使用過程中存在著很大的安全隱患和危險，需要對其進(jìn)行徹底的整治[4-5]。

2 真空斷路器開合時引發(fā)操作過電壓機(jī)理

2.1 截流過電壓

真空斷路器內(nèi)真空泡的真空度可以達(dá)到10-2Pa，構(gòu)成了一個內(nèi)隔離環(huán)境，而其實(shí)際行程僅有幾十毫米。在燃弧過程中，由電流密度極高的金屬蒸氣維持著滅弧室的真空度電弧，并同時在陰極面上以幾兆赫的速率跳躍。

由于斷路器良好的滅弧作用，當(dāng)電流沒有過零時，電弧就被強(qiáng)制斷開。電弧是一個擴(kuò)散電極，但由于電壓低，導(dǎo)致陰極的金屬蒸汽不平衡，從而產(chǎn)生了高頻震蕩，最后電弧輸出為0，最終消失。電弧波形的頻率很高，在陰極的低頻振蕩中，可能會出現(xiàn)輸出電壓波形被突然地切斷。因?yàn)殡娏骱芸斓亟档?，所以由電感負(fù)荷的磁場能與貯存在系統(tǒng)電抗器中的能量，在切斷后互相放電時所產(chǎn)生的高頻震蕩，從而產(chǎn)生了截流過電壓現(xiàn)象。用熱力學(xué)第一定律，估計(jì)出單相故障時交流電抗器的截?cái)噙^電壓為式（1）（2）所示：

式（1）、式（2）中，l 是電抗器電感量；Ich是截流幅值；c是電抗器繞組對鐵芯、電纜等對地的等效電容；Um是等效電容上的電壓最大值；U0是等效電容上的初始電壓。

根據(jù)上述式（1）、式（2）可知，真空斷路器的過電壓值很高。

真空斷路器截流過壓特征：一是在斷開低壓的情況下，通常會發(fā)生過斷。二是過電壓的放大率直接關(guān)系到斷路器的截?cái)嘀?。三是在高頻率下，當(dāng)磁場與電場的能量互相轉(zhuǎn)化時，也會產(chǎn)生高壓。

2.2 多次重燃過電壓

多次重燃時不斷地產(chǎn)生電弧，使得電源不斷地進(jìn)行充電過程。在這個過程中，由于斷路器分閘的相位差，往往會在過零時會出現(xiàn)一相被切斷而另外兩相尚未被切斷的情況。當(dāng)兩個觸頭間的間隔非常小，且兩個觸頭的壓力差不夠大時，就會發(fā)生重燃。在一次重燃和熄滅電弧后，觸頭之間的電壓會上升，在很短的一段時間里，如果接點(diǎn)之間的間隙過小，很容易發(fā)生二次重燃。在每次重燃后，觸頭的電流和負(fù)載的電流繼續(xù)增加，而觸點(diǎn)內(nèi)部的絕緣擊穿電流又超過了恢復(fù)電壓。

多重重燃過電壓特征為：一是斜率大，振幅大，對斷路器的絕緣有很大影響。二是過電壓復(fù)制較大，足以引起電抗器匝間的絕緣破壞。

2.3 三相同時開斷過電壓

三相的開關(guān)過電壓具有以下特點(diǎn)：一是最大的過電壓一般在后兩個相位的截止時刻產(chǎn)生。二是當(dāng)負(fù)載很輕時，可以輕易地同時切斷三相。三是三相同時斷路與多次復(fù)燃是同時進(jìn)行的，三相復(fù)燃的情況也是三相斷路的前提。

2.4 操作并聯(lián)電抗器時的過電壓

城市供電通常要用幾十公里的電纜，需要電抗器以補(bǔ)償高壓電纜的充電容量。并聯(lián)電抗器在運(yùn)行過程中，需要經(jīng)常按照要求進(jìn)行投切。

電抗器對地電容一般較低，而斷路器與并抗間的引線一般較短，輸入電容較小，故當(dāng)采用真空斷路器斷開時，斷路器的恢復(fù)電壓頻率高，斷路器斷開后很難熄滅，造成再次燃燒，造成大幅度、高頻率地重燃過壓，甚至對樞紐變電站造成傷害。

假定并聯(lián)電抗器容量30Mvar，額定電壓37.5kV，電感0.15H，接地電容1000pF。實(shí)際開關(guān)斷口處的瞬間恢復(fù)電壓頻率為5.8kHz，極易重燃。

3 35kV并聯(lián)電抗器現(xiàn)場投切實(shí)測

3.1 實(shí)測系統(tǒng)

在對某220kV 變電所35kVⅠ段母線的測試中，1 號主變母供35kVⅠ段母線，35kV1 號電抗器與35kVⅠ段母線相連，Ⅰ段母線上有3 條線路運(yùn)行。

在斷路器選相控制方法中，B 相首先動作，分閘燃弧的持續(xù)時間約為6.7ms，而相控?cái)嗦菲鞯念~定斷開時間為±0.5ms。從理論上來說，最大起弧時間約為6.7+0.5=7.2ms，因此，把切斷時間減少到上次過零時的概率很小。

3.2 測試結(jié)果和分析

3.2.1 相控功能退出

選取1 號電抗器進(jìn)行投切，在投切中，并聯(lián)電抗器的母線側(cè)和電抗器側(cè)過電壓情況見表1。

表1 并聯(lián)電抗器時母線側(cè)和電抗器得側(cè)過電壓情況

由表1 可知，1 號電抗器在一次切斷后，交流電抗器的另一端產(chǎn)生了較大的電壓，最大相位過壓倍數(shù)已達(dá)6 倍，遠(yuǎn)超出了允許值。所以，在切斷期間，燃弧時間短。在第一次斷開后，燃弧的時間較長。

3.2.2 相控功能投入

在有相控功能的情形下，進(jìn)行5 次投切，在每次操作時，相控功能投入切除1 號并聯(lián)電抗器的母線和電抗器側(cè)的電壓情況見表2。

表2 相控功能投入切除1號并聯(lián)電抗器時母線側(cè)和電抗器側(cè)的電壓情況

由表2 可知，當(dāng)引入了相控功能時，并聯(lián)電抗器的母線和電抗器的電壓倍數(shù)均相當(dāng)小，數(shù)值上比較穩(wěn)定，并且未發(fā)生斷路器重燃現(xiàn)象。相控功能投入時切除并聯(lián)電抗器的暫態(tài)波形如圖1所示。

圖1 相控功能投入時切除并聯(lián)電抗器的暫態(tài)波形

如圖1C 可知，特定的選相控制目的是確保B 相首先過零。在第5 次投切過程中，并聯(lián)電抗器的母線和電抗器側(cè)的電壓幅度相近，沒有出現(xiàn)過電壓的情況。

4 PSCAD仿真分析

4.1 仿真模型

真空斷路器對高頻電壓的過零熄弧能力，和靠近零點(diǎn)的輸出電壓的變化率dI/dt直接相關(guān)，具體高頻電流熄滅弧力dI/dt的數(shù)值為50～300A/μs。滅弧室絕緣強(qiáng)度為0～50kV/mm，35kV真空斷路器介質(zhì)絕緣恢復(fù)強(qiáng)度特性統(tǒng)計(jì)值約為25kV/mm。在仿真模型中，雙觸頭的直流限流熔斷器時刻tb 和第35kV 真空斷路器的介質(zhì)絕緣恢復(fù)擬合為式（3）所示：

電抗器的尺寸參數(shù)是額定值容量10000kvar，每相電感為0.38H，繞組電阻1Ω，且電抗器的相間、相對地、匝間分布電容均小于1500pF。母線參數(shù)為等值的對地電容大約為0.25μF。

4.2 仿真結(jié)果與分析

4.2.1 開關(guān)時間影響

為了探討切換時間對過電壓的影響，采用半周期試驗(yàn)（10ms)，對三相及相間的過電壓峰值進(jìn)行了仿真模擬。

在無相控性條件下，并聯(lián)式電抗器的重燃概率大約為99%，且有較高的重燃概率，而非重燃的最大燃弧持續(xù)時間為6.5-3.3=3.2ms。最大線端電壓為93.61kV，但并聯(lián)交流電抗器最大過電壓為185.12kV，其過電壓十分嚴(yán)重，對電氣設(shè)備的絕緣性能有很大的影響。

對35kV 真空斷路器的第一次啟動電流加以控制，在超過規(guī)定的限度后，就可以保證絕緣的波形和瞬時恢復(fù)的電流波形之間沒有交叉，消除再燃。燃弧持續(xù)時間超過3.3ms時，則可選擇三相分相獨(dú)立的運(yùn)行機(jī)制，通過對斷路器加以控制，從而實(shí)現(xiàn)了對斷路器在工作環(huán)境中的再燃電流的直接控制。

4.2.2 隨機(jī)投切和相控投切模擬

在仿真模擬中，將隨機(jī)拋入的燃弧時間設(shè)定為1ms，在1ms 內(nèi)發(fā)生重燃；相控輸入時的燃弧時間與實(shí)際情況基本一致，設(shè)定為6.7ms，不會發(fā)生重燃。并聯(lián)電抗器母線側(cè)和電抗器側(cè)過電壓仿真結(jié)果見表3。

表3 并聯(lián)電抗器母線側(cè)和電抗器側(cè)過電壓仿真結(jié)果

由表3 可知，經(jīng)過計(jì)算后的波形特性和實(shí)際過電壓的倍率比較一致；采用相控技術(shù)時，復(fù)燃現(xiàn)象減少，同時能夠更有效地控制并聯(lián)電抗器的電流。

5 結(jié)語

本文以35kV 并聯(lián)式電抗器為例，從理論依據(jù)和現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行了研究。一是在交流電抗器被輸入或被切掉后，燃燒的臨界狀態(tài)是斷口介質(zhì)絕緣恢復(fù)曲線與斷口瞬時變化恢復(fù)電壓的交點(diǎn)。因此，如果燃弧時間被適當(dāng)增加，復(fù)燃可以被減小或者甚至完全地減小。二是在斷開并聯(lián)電抗器的過壓超過允許值時，會產(chǎn)生很大的過壓，從而危及裝置的正常工作。在電抗器的投切試驗(yàn)中，該電路具有優(yōu)良的特性，在斷開電抗器時，不會引起斷路器的復(fù)燃、運(yùn)行過電壓等問題。三是在仿真中，如果沒有增加相位控制功能，則極有可能發(fā)生切換和重燃，僅在電弧達(dá)到3.3ms 時，不會發(fā)生重新點(diǎn)燃。試驗(yàn)證明，采用這種方法得到的時域波形與實(shí)測波形具有很好的一致性，采用相控技術(shù)后，能夠很好地抑制復(fù)燃和過壓。