高壓斷路器分開并聯(lián)電抗器試驗(yàn)回路的設(shè)計(jì)

0開斷性電流試驗(yàn)高壓供電經(jīng)常采用聯(lián)合電抗，以限制供電相對(duì)于小負(fù)荷，提高工頻率和運(yùn)行能耗。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較重時(shí),并聯(lián)電抗須全部或部分的切斷,以避免過分地消耗系統(tǒng)感性功率。通常認(rèn)為并聯(lián)電抗器的負(fù)載電流是小感性電流,當(dāng)斷路器開斷感性小電流時(shí),通常斷路器斷口和周圍電路交互作用產(chǎn)生高幅度高頻暫態(tài)電壓,產(chǎn)生的高頻暫態(tài)恢復(fù)電壓可能導(dǎo)致對(duì)電抗和/或開關(guān)設(shè)備的危害作用。IEC已經(jīng)制定出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC62271-110,IEEE也早開展相關(guān)的導(dǎo)則的研究,國(guó)外早已開展相關(guān)的試驗(yàn)項(xiàng)目。目前在國(guó)內(nèi)除了西安高壓電器研究院實(shí)驗(yàn)認(rèn)證中心外,還未有試驗(yàn)室進(jìn)行并聯(lián)電抗器電流開合試驗(yàn)項(xiàng)目或相關(guān)試驗(yàn)報(bào)道,相關(guān)的國(guó)家試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)正在起草階段。文中將討論斷路器開斷此類小電流型式試驗(yàn)及分析產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓。1開斷過程分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)并聯(lián)電抗器的開斷的暫態(tài)過程進(jìn)行過大量研究,對(duì)開斷后產(chǎn)生的過電壓及對(duì)電力設(shè)備的影響進(jìn)行過實(shí)例分析和建模計(jì)算[16,17,18,19,20,21],其開斷過程可簡(jiǎn)單描述如下。1.1電源側(cè)等價(jià)電容開合并聯(lián)電抗器原理圖見圖1。圖1中:Us為電源電壓;Ls為電源側(cè)的等值電感;Lb1、Lb2連接線電感;Cs為電源側(cè)等值電容;L為并聯(lián)電抗器;CL為電抗器側(cè)等值電容;R為負(fù)載損耗電阻(以獲得1.9的振幅系數(shù));TO為切電抗器的斷路器。電源側(cè)等值電感LS既不應(yīng)小于斷路器額定短路電流對(duì)應(yīng)的電感,也不應(yīng)大于負(fù)載回路電感L的10%,電源側(cè)電容CS至少應(yīng)是CL的10倍,負(fù)載回路有兩個(gè),對(duì)t3要求不同,須使產(chǎn)生的預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓不比規(guī)定值更輕松。1.2放電頻率的測(cè)量當(dāng)電抗器電流iL自然過零時(shí)被切斷,電抗器上的磁能AL為零,則。負(fù)載側(cè)電容上的儲(chǔ)能為:,UL為電抗器上的電壓。電容CL上的電能AC通過L-CL形成高頻振蕩,其振蕩頻率為:。TO斷口兩端電壓Uh,亦零后恢復(fù)電壓為:Uh=US-UL,Uh環(huán)繞電源電壓進(jìn)行振蕩,其振蕩頻率不受系統(tǒng)頻率的影響,而是由負(fù)載L、CL的自振蕩頻率所決定的。1.3開斷和發(fā)揮了減少重燃擊穿電壓的矛盾關(guān)系斷路器開斷并聯(lián)電抗器時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)截流和重燃過電壓,可能對(duì)電網(wǎng)絕緣造成威脅。電網(wǎng)中運(yùn)行的并聯(lián)電抗器從電網(wǎng)切除時(shí),因電弧電流很小(100到數(shù)百安)。當(dāng)斷路器滅弧能力很強(qiáng)時(shí),因小電感電流形成的電弧不穩(wěn)定,會(huì)出現(xiàn)提前過零截流現(xiàn)象。電流開斷后,斷路器承受的電壓為電源側(cè)電壓與緩慢衰減的負(fù)載側(cè)振蕩電壓之差。截流的暫態(tài)起始電壓為對(duì)地工頻電壓峰值與電弧電壓之和,第1峰值與開斷瞬間系統(tǒng)電壓的極性一致,這個(gè)電壓就是抑制峰值過電壓。對(duì)于試驗(yàn)室一般都是直接接地電抗器,最大截流過電壓(對(duì)地)通常就是抑制峰值過電壓。具有較高截流水平的斷路器,在抑制電壓峰值出現(xiàn)瞬間或之前,還可能會(huì)出現(xiàn)重燃以及多次重燃。重燃后,有些熄弧能力較強(qiáng)的開關(guān),電弧會(huì)很快再次熄滅,而恢復(fù)電壓也會(huì)再次出現(xiàn)。隨著觸頭間距的不斷拉大,介質(zhì)強(qiáng)度也會(huì)越來越高,導(dǎo)致每次復(fù)燃的擊穿電壓逐級(jí)上升。圖2詳細(xì)描述了出現(xiàn)截流和重燃時(shí)暫態(tài)電壓的變化過程。1.3.1電源電壓和電壓出現(xiàn)截流過電壓,結(jié)果就是電抗器絕緣所承受的電壓類似于操作沖擊時(shí)的情況。截流瞬間,積聚在負(fù)載電感和電容上的能量在二者之間振蕩,感性負(fù)載上的電壓變化見圖3中波形3。在高壓系統(tǒng)中,振蕩頻率大約為1~5kHz,該頻率取決于電抗器負(fù)載回路—即電抗器和電抗器與斷路器之間所連接的所有設(shè)備的固有頻率。斷路器兩端的暫態(tài)電壓在感性負(fù)載達(dá)到電壓峰值時(shí)出現(xiàn)峰值。單相截流電壓和電流的變化詳細(xì)情況見圖3。式(1)、(2)中:U0為電源電壓峰值;Uma為對(duì)地抑制峰值過電壓;抑制峰值過電壓倍數(shù)ka以相對(duì)地電壓峰值的標(biāo)么值(p.u.)表示,即從式(3)可知,截流值ich愈大,電抗器電感L愈大時(shí),過電壓值Uma也愈高。在給定條件下,U0、L和CL是不變的,截流過電壓僅取決于截流值ich。1.3.2重燃窗口的確定在恢復(fù)電壓峰值處,斷路器所承受的電壓為接近截流過電壓的電壓與電源電壓峰值之和。如果此刻或之前斷路器未重燃,那么開斷成功。但是,如果觸頭分離瞬間,觸頭間隙還沒有足夠的介電強(qiáng)度,就會(huì)出現(xiàn)重燃。如果開斷出現(xiàn)在較小的觸頭間隙,所有斷路器都會(huì)重燃,重燃窗口可窄可寬,這取決于增大的觸頭間隙對(duì)電壓上升率的耐受能力?！按翱凇睂挾葲Q定于斷路器的設(shè)計(jì)(開斷介質(zhì)、觸頭速度、電極的設(shè)計(jì)等)。重燃時(shí),負(fù)載側(cè)電壓迅速接近電源側(cè)電壓,并趨于超過,從而產(chǎn)生重燃過電壓。伴隨重燃出現(xiàn)的高頻振蕩稱為“第2并聯(lián)振蕩”,由于高阻尼,它迅速衰減?？紤]到阻尼,在恢復(fù)電壓峰值時(shí)刻發(fā)生重燃時(shí),就產(chǎn)生最大過電壓。最大對(duì)地重燃過電壓kp由式(4)給出。式(4)中:β為阻尼系數(shù),其值通常不超過0.5重燃暫態(tài)的峰—峰電壓,ks由式(5)給出。2電抗器的電流開采試驗(yàn)2.1.試驗(yàn)裝置根據(jù)IEC62271-110—2005描述并聯(lián)電抗器電流開合試驗(yàn)回路圖,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置和測(cè)量需要,現(xiàn)場(chǎng)回路圖見圖4。2.1.1電源回路及交流試驗(yàn)并聯(lián)電抗器電流開合試驗(yàn)適用于額定電壓72.5kV及以上的高壓交流斷路器。試驗(yàn)室電源回路主要由發(fā)電機(jī)及短路變壓器組成。發(fā)電機(jī)通過10kV系統(tǒng),經(jīng)過短路變壓器組升壓向試品提供試驗(yàn)電壓。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中要求圖1電源側(cè)電感Ls中不應(yīng)大于負(fù)載回路電感L的10%。電源側(cè)電感Ls在試驗(yàn)室回路中主要體現(xiàn)在10kV系統(tǒng)及短路變壓器組的回路阻抗。2.1.2高壓電抗器及試驗(yàn)回路pf級(jí)pf負(fù)載回路由電抗器組成,更具體的說,是由具有適當(dāng)并聯(lián)電容和電阻以及空心或鐵心電抗器組成。負(fù)載回路的瞬態(tài)恢復(fù)電壓是由負(fù)載電抗器和并聯(lián)電容的振蕩形成。并聯(lián)電容的數(shù)量級(jí)非常小,基本上均為pF級(jí)電容。該電容可利用高壓電抗器及試驗(yàn)回路的對(duì)地雜散電容來滿足?？筛鶕?jù)要求調(diào)整試驗(yàn)回路的接線方式、線路長(zhǎng)度、變壓器串并聯(lián)方式及臺(tái)數(shù)等來獲取。負(fù)載損耗電阻R用于獲得1.9的振幅系數(shù)。由于電壓分布等級(jí)較多,導(dǎo)致負(fù)載損耗電阻R值的分布也較為細(xì)而且多,這樣的精細(xì)分布阻值在試驗(yàn)室的具體試驗(yàn)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。通過EMTDC軟件模擬對(duì)比,發(fā)現(xiàn)當(dāng)R在一定范圍內(nèi)時(shí),對(duì)Uc值的變化作用并不巨大,但是高頻振蕩周期明顯加長(zhǎng),對(duì)比見圖5。從試品角度來考慮,考核相對(duì)較嚴(yán)酷。2.2.試驗(yàn)試驗(yàn)波形對(duì)126kV的試品進(jìn)行試驗(yàn)方式1(即負(fù)載回路1試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形見圖6(工頻)、7(高頻)。試驗(yàn)波形正常,試品開斷正常。試品開斷后出現(xiàn)了重燃的波形見圖8(工頻)、9(高頻)。試品在重燃后的第1個(gè)電流過零點(diǎn)成功開斷。3對(duì)短期變質(zhì)負(fù)荷分析和變質(zhì)限制如前文所述,用于開合并聯(lián)電抗器電流的斷路器,主要考慮所產(chǎn)生的截流過電壓和截流后又發(fā)生重燃而產(chǎn)生的過電壓。3.1emtdc模擬軟件模擬按照前文提到的估算辦法,用額定電壓Ur=123kV、并聯(lián)電抗器開合電流I=315A的回路參數(shù)舉例,進(jìn)行截流過電壓的計(jì)算及模擬。根據(jù)回路計(jì)算:負(fù)載L=1.08H,負(fù)載并聯(lián)電容CL=0.001984μF,試驗(yàn)電壓Us=107kV,則。假設(shè)斷路器截流值ich=10A,那么將這些已知值CL、L、U0、ich代入等式得出:Uma=278kV,也就是說斷路器截流10A后,產(chǎn)生的最大截流過電壓(對(duì)地)值為278kV。通過EMTDC模擬軟件的模擬可以得出下面的結(jié)果,見圖10。從模擬結(jié)果來看,當(dāng)斷路器截流值ich=10A時(shí),最大截流過電壓Uma,也就是模擬結(jié)果波形圖中的EL=285.6kV,說明二者的結(jié)論是基本吻合的,見圖11。3.2最大對(duì)地重燃實(shí)施特性通過上面對(duì)截流過電壓的計(jì)算,很容易得出將該值代入式kp=1+β(1+ka),假設(shè)β=0.5,得出即最大對(duì)地重燃過電壓為151kV×2.42=365.42kV。由此可以看出,截流后又發(fā)生重燃產(chǎn)生的過電壓要明顯高于只有截流而產(chǎn)生的截流過電壓。3.3金屬氧化物避雷器原則上試驗(yàn)回路中是不應(yīng)該設(shè)有限制試驗(yàn)期間所產(chǎn)生的過電壓的設(shè)備,但是實(shí)際上,由于斷路器的特性不同,前面的兩種過電壓完全存在發(fā)生的可能性,從試驗(yàn)室設(shè)備安全的角度出發(fā),這些過電壓還是需要被限制到可以接受的值。對(duì)于試驗(yàn)室來講,限制方法就是用避雷器保護(hù)并聯(lián)電抗器。通常用避雷器保護(hù)并聯(lián)電抗器,避雷器最大保護(hù)水平和并聯(lián)電抗器絕緣水平之間,至少留有25%的保護(hù)裕度。使用新型的金屬氧化物避雷器可以很容易獲得這樣的裕度。試驗(yàn)室對(duì)于主系統(tǒng)的過電壓保護(hù)一般均使用的正是金屬氧化物避雷器。金屬氧化物避雷器的選取可以根據(jù)吸收的能量和持續(xù)耐受10s額定電壓的能力來決定。這種避雷器是依靠電壓的、無間隙的非線性電阻器,根據(jù)其伏—安特性來限制電壓,即它基本上截?cái)嗔诉^電壓。斷路器截?cái)嘧銐虼蟮碾娏鲿r(shí),產(chǎn)生一個(gè)超過避雷器伏—安特性的截流過電壓峰值,那么,只要預(yù)期電壓超過避雷器的特性值,避雷器就有電流流過。避雷器把負(fù)載能量釋放一部分,負(fù)載側(cè)電壓持續(xù)振蕩。重燃的可能性并沒有消除,但是由于恢復(fù)峰值小于其預(yù)期值,使“窗口”縮小。另外,如果截流過電壓的峰值小于避雷器的特性值,避雷器不動(dòng)作,但在可能出現(xiàn)的較高重燃過電壓時(shí)動(dòng)作,這樣就把暫態(tài)過程的峰—峰值限制在最大兩倍的保護(hù)水平內(nèi)了。關(guān)于能量的吸收,避雷器僅吸收截流瞬間儲(chǔ)存在電抗器里的