真空断路器开断并联电抗器RC阻容器过电压抑制仿真试验研究

广东电网有限责任公司东莞供电局 唐锦尧 黄秋达

关键字：真空断路器；并联电抗器；RC阻容器；过电压

1 采用RC 阻容器限制过电压

基于真空优秀的绝缘性能和灭弧性能，真空断路器的触头在密闭的真空室进行工作，在进行接通和分断电路的操作时，其内部存在金属蒸汽离子的分散及再复合运动，这个过程持续的时间非常短，因此灭弧的时间非常短，并且能有效回到原有的最大真空度，此外其开断能力不会受到频繁分合闸操作的影响而下降。所以真空断路器拥有易维护、断流容量大、有利于反复运作等诸多优势，但真空断路器在工作过程中产生过电压的弊端较普遍。

电网供电的安全可靠在如今越发重要，因此对系统稳定性的要求也越发严格。但工作过程中，过电压的出现会对系统造成极大的威胁，在一定程度上会对系统的稳定性和安全性造成严重的影响，为此需要了解过电压的发生过程以及本质和特征，这对准确选用过电压保护装置是非常关键的。真空断路器在进行分合电路的过程中，皆容易产生操作过电压。真空断路器的触头在进行闭合时通常会出现水平差异的弹跳状态，因此产生过电压。

在电路接通时，触点之间的距离会随时间的增加而越来越小直至消失，触点内产生的过渡电压会维持一直下降的状态，所以过电压的最大值通常较小，对系统造成的影响不会很严重。对系统设备稳定工作造成影响的关键是断开电路过程中产生的过电压，在开断变压器等设备的过程中，真空断路器出现的过电压可以划分为截流、三相同时截流过电压以及反复重燃过电压[1]。

1.1 截流过电压

真空断路器具有的良好灭弧性能，在分合过程中，能够在电流过零之前对电弧进行断开，而在变压器中还留有截断电流，这时在变压器电感绕组和散电容之间，余留的能量反复振荡从而导致较大过电压产生。

1.2 三相同时截流过电压

断路器在分合弧内出现复燃状态，此时该间隙有高频电产生，另外两弧间隙中的工频电流被其带动会出现快速过零的情况，同时产生过电压。

1.3 反复重燃过电压

真空断路器在闭合动作过程中，灭弧操作是将触头分离进行的。由于触头间的距离很小，在电压的带动下会出现复燃，电气回路在电弧进行复燃的过程中将产生频率很高的电流，在进行首次的复燃再灭弧的动作之后，断路器的电压将变得更大，高频灭弧在非常快的时间内触头间距离又非常小时，可能发生再次的复燃，这样将导致反复重燃的情况发生。

在上述相关操作过程中容易导致过电压的产生，这会对系统设备造成破坏，并且真空断路器拥有的优秀灭弧性能，在开断时产生的过电压会破坏系统设备的绝缘，造成相关设备异常事故，过电压的产生对正常工作的系统设备威胁较大。所以，为了防止操作过电压的产生，应按要求选择合适的过电压保护装置，达到将过电压对消甚至清除的效果[2]。

阻容吸收器总体的结构组成简明，各相都是通过电容与电阻的串联操作连接而成的。阻容吸收器的关键作用是限制开闭和操作过程中产生的过电压，借此确保发电机、电动机等系统部件的安全稳定运行，在重复进行闭合操作的系统中能起到较大的作用。与电容器有所不同的是，具有阻容吸收器的电路在暂态过程中能快速产生RLC回路，通过电阻的作用，振荡的衰减速率能得到进一步提升，因此可以实现对过电压与陡势进行抑制。

阻容吸收器在系统中的作用与并联式电容器的作用相仿，在电抗器中加大其支路上电容的数值，并平滑其原来的过电压的陡势，借此达到减小电压的振荡频率，使断路器内部出现击穿事故的可能性变小；此外，阻容吸收器通过电路中电阻的存在对能量进行耗尽，减缓高频电流的提升，同样起到减小预击穿发生数量和平滑过电压陡势的效果。阻容吸收器因电弧操作导致的过电压具备非常优秀的限制作用。针对抑制频繁预击穿情况导致的过电压，在跟避雷器件进行比较下，阻容吸收器具备以下几点优势[3]。

一是阻容吸收器中具有线性电阻元件，能够对过电压产生的额外能量进行耗尽，因此可以对其幅值进行有效的抑制。

二是对比两者的保护作用，阻容吸收器对外界的抗干扰能力较强，而避雷器的抗干扰能力则较弱，在结构内中性点处的接线情况，会引起避雷器与负载两者之间绝缘程度的不相匹；而阻容吸收器较好的抗干扰能力，能使其自身与负载的绝缘程度相适应。

三是阻容吸收器在电阻阻尼促进效果的帮助下，电压的振荡衰减的速率得到提高且达到减缓陡度的作用。

四是阻容吸收器的保护多样，但避雷器只有当自身两端的电压大于阈值时，才能抑制过电压的产生从而达到保护设备的目的，若采用单相连接的接线方法，那么将无法有效抑制相间过电压的产生。

2 不同安装位置下RC 阻容器对过电压抑制的仿真

分别在位置a（电抗器首端）和位置b（站用变首端）增加RC 阻容器，仿真图如图1所示。仿真分析不同位置下RC 阻容器过电压的抑制效果。

图1 不同位置RC 阻容器仿真图

由于目前相关行业准则中，还没有关于阻容器相关参数的明确规范，因此未明确阻容吸收器的电容电阻值在各种工作条件下的选取，所以仍须计算得知，对于分析不同位置下的过电压抑制情况，本文在电容0.1μF、电阻150Ω 下进行情况分析[4]。

在位置a（电抗器首端）加装RC 阻容器时，电抗器处过电压及站用变处过电压仿真图如图2所示。

图2 在电抗器首端加装RC 阻容器过电压仿真图

在位置b（站用变首端）加装RC 阻容器时，电抗器处过电压及站用变处过电压仿真图如图3所示。

图3 在电抗器首端加装RC 阻容器过电压仿真图

同时在位置a（电抗器首端）和位置b（站用变首端）加装RC 阻容器时，电抗器处过电压及站用变处过电压仿真图如图4所示。

图4 在位置a 和b 同时加装RC 阻容器过电压仿真图

在不同安装位置RC 阻容器时，电抗器、站用变处过电压见表1，U1p为电抗器处过电压、U2p为站用变处过电压。

表1 RC 阻容器安装位置对过电压的影响

由表1中的数据可以看出，对比位置a（电抗器首端）、位置b（站用变首端）同时加装RC 阻容器和安装单一RC 阻容器相比抑制能力没有明显的提升，性价比相对较低，所以只需安装单一RC 阻容器即可达到抑制过电压效果，根据不同安装位置过电压波形，确定最佳安装位置为电抗器首端。

3 不同电阻阻值下RC 阻容器对过电压抑制的仿真

本文选择RC 阻容器电容值为0.1μF 时，电阻值分别为10Ω、100Ω、200Ω、400Ω、600Ω、800Ω 六种情况下的仿真计算[5]。

在电抗器首端安装不同参数电阻的RC 阻容器时。电抗器、站用变处过电压如表2所示，Ub为电抗器处过电压、Ud为站用变处过电压。

表2 电阻对过电压的影响

由图5可知，当电阻值从10Ω 增加至400Ω 时，电抗器处过电压幅值出现轻微的降低，站用变处过电压也出现轻微的波动；当电阻值从400Ω 增加至800Ω 过程中，电抗器处过电压幅值出现回升现象，占用变出过电压也出现明显的上升。虽然随着电阻值得增加，电抗器处的电压衰减时间减少，但是衰减时间降低速率明显变慢。所以，最佳选择电阻范围为100~400Ω。

图5 不同电阻参数下的过电压衰减时间

4 不同电容容值下RC 阻容器对过电压抑制的仿真

本文选择RC 阻容器电阻值为100Ω 时，电容值分别为0.05μF、0.1μF、0.15μF、0.2μF 四种情况下的仿真计算，计算结果如表3所示。

表3 电容对过电压的影响

由表3可知，当电容值从0.05μF 增加至0.1μF 时，电抗器处过电压幅值随着电容值得增大出现明显的降低；当电容值为0.05μF 时，站用变处过电压为26.2kV，限制效果不明显，当电容值从0.1μF 增加至0.2μF 时，站用变处过电压出现明显被抑制现象，且随着电容值增加出现轻微波动，即电容值在0.1μF 以上时，站用变处过电压变化不大。

图7 站用变首端过暂态电压

5 试验验证

图6为#2电抗器首端过暂态电压，根据波形可以看到，在保护装置作用下，#2电抗器首端过电压幅值和频率都被有效地抑制。

图6 #2电抗器首端过暂态电压

6 结论

通过将仿真结果与理论相结合分析得到，在断路器分闸时，分闸过电压受RC 阻容器的影响，断路器断口电压的幅值始终小于断口绝缘强度，从而促使重燃过程被消灭，电抗器处和站用变处过电压得到很好的抑制。

一是在位置a（电抗器首端）加装RC 阻容器时，能明显阻碍电抗器处和站用变处过电压的产生；在位置b（站用变首端）加装RC 阻容器时，只能有效阻碍后者过电压的产生，而不能有效防止电抗器处过电压的产生。两个位置对站用变处过电压的阻碍作用基本相同。

二是RC 阻容器的电阻主要影响过电压幅值的衰减时间，随着电阻值的增大，衰减时间逐渐减少。电阻值与衰减时间呈非线性关系，随着电阻越来越大，衰减时间减小的速率越来越慢。

三是RC 阻容器的电容主要影响过电压的幅值大小，而幅值的大小与电容成凹函数曲线，即先随着电容的增大而减小，后随着电容的增大而增大。