使用相控断路器抑制35kV并联电抗器操作过电压研究

国网无锡供电公司 王琰

1 引言

真空开关由于其结构简单可靠，使用寿命长，因而被广泛地用于电力系统。但是，35kV并联电抗器在投切时，会出现截流、复燃、等值截流等问题[1-2]。近几年，由于35kV 并联式电抗器运行过电压，致使开关柜、站用变乃至主变等设备出现故障[3]。35kV并联式电抗器在使用过程中存在着很大的安全隐患和危险，需要对其进行彻底的整治[4-5]。

2 真空断路器开合时引发操作过电压机理

2.1 截流过电压

真空断路器内真空泡的真空度可以达到10-2Pa，构成了一个内隔离环境，而其实际行程仅有几十毫米。在燃弧过程中，由电流密度极高的金属蒸气维持着灭弧室的真空度电弧，并同时在阴极面上以几兆赫的速率跳跃。

由于断路器良好的灭弧作用，当电流没有过零时，电弧就被强制断开。电弧是一个扩散电极，但由于电压低，导致阴极的金属蒸汽不平衡，从而产生了高频震荡，最后电弧输出为0，最终消失。电弧波形的频率很高，在阴极的低频振荡中，可能会出现输出电压波形被突然地切断。因为电流很快地降到0，所以由电感负荷的磁场能与贮存在系统电抗器中的能量，在切断后互相放电时所产生的高频震荡，从而产生了截流过电压现象。用热力学第一定律，估计出单相故障时交流电抗器的截断过电压为式（1）（2）所示：

式（1）、式（2）中，l 是电抗器电感量；Ich是截流幅值；c是电抗器绕组对铁芯、电缆等对地的等效电容；Um是等效电容上的电压最大值；U0是等效电容上的初始电压。

根据上述式（1）、式（2）可知，真空断路器的过电压值很高。

真空断路器截流过压特征：一是在断开低压的情况下，通常会发生过断。二是过电压的放大率直接关系到断路器的截断值。三是在高频率下，当磁场与电场的能量互相转化时，也会产生高压。

2.2 多次重燃过电压

多次重燃时不断地产生电弧，使得电源不断地进行充电过程。在这个过程中，由于断路器分闸的相位差，往往会在过零时会出现一相被切断而另外两相尚未被切断的情况。当两个触头间的间隔非常小，且两个触头的压力差不够大时，就会发生重燃。在一次重燃和熄灭电弧后，触头之间的电压会上升，在很短的一段时间里，如果接点之间的间隙过小，很容易发生二次重燃。在每次重燃后，触头的电流和负载的电流继续增加，而触点内部的绝缘击穿电流又超过了恢复电压。

多重重燃过电压特征为：一是斜率大，振幅大，对断路器的绝缘有很大影响。二是过电压复制较大，足以引起电抗器匝间的绝缘破坏。

2.3 三相同时开断过电压

三相的开关过电压具有以下特点：一是最大的过电压一般在后两个相位的截止时刻产生。二是当负载很轻时，可以轻易地同时切断三相。三是三相同时断路与多次复燃是同时进行的，三相复燃的情况也是三相断路的前提。

2.4 操作并联电抗器时的过电压

城市供电通常要用几十公里的电缆，需要电抗器以补偿高压电缆的充电容量。并联电抗器在运行过程中，需要经常按照要求进行投切。

电抗器对地电容一般较低，而断路器与并抗间的引线一般较短，输入电容较小，故当采用真空断路器断开时，断路器的恢复电压频率高，断路器断开后很难熄灭，造成再次燃烧，造成大幅度、高频率地重燃过压，甚至对枢纽变电站造成伤害。

假定并联电抗器容量30Mvar，额定电压37.5kV，电感0.15H，接地电容1000pF。实际开关断口处的瞬间恢复电压频率为5.8kHz，极易重燃。

3 35kV并联电抗器现场投切实测

3.1 实测系统

在对某220kV 变电所35kVⅠ段母线的测试中，1 号主变母供35kVⅠ段母线，35kV1 号电抗器与35kVⅠ段母线相连，Ⅰ段母线上有3 条线路运行。

在断路器选相控制方法中，B 相首先动作，分闸燃弧的持续时间约为6.7ms，而相控断路器的额定断开时间为±0.5ms。从理论上来说，最大起弧时间约为6.7+0.5=7.2ms，因此，把切断时间减少到上次过零时的概率很小。

3.2 测试结果和分析

3.2.1 相控功能退出

选取1 号电抗器进行投切，在投切中，并联电抗器的母线侧和电抗器侧过电压情况见表1。

表1 并联电抗器时母线侧和电抗器得侧过电压情况

由表1 可知，1 号电抗器在一次切断后，交流电抗器的另一端产生了较大的电压，最大相位过压倍数已达6 倍，远超出了允许值。所以，在切断期间，燃弧时间短。在第一次断开后，燃弧的时间较长。

3.2.2 相控功能投入

在有相控功能的情形下，进行5 次投切，在每次操作时，相控功能投入切除1 号并联电抗器的母线和电抗器侧的电压情况见表2。

表2 相控功能投入切除1号并联电抗器时母线侧和电抗器侧的电压情况

由表2 可知，当引入了相控功能时，并联电抗器的母线和电抗器的电压倍数均相当小，数值上比较稳定，并且未发生断路器重燃现象。相控功能投入时切除并联电抗器的暂态波形如图1所示。

图1 相控功能投入时切除并联电抗器的暂态波形

如图1C 可知，特定的选相控制目的是确保B 相首先过零。在第5 次投切过程中，并联电抗器的母线和电抗器侧的电压幅度相近，没有出现过电压的情况。

4 PSCAD仿真分析

4.1 仿真模型

真空断路器对高频电压的过零熄弧能力，和靠近零点的输出电压的变化率dI/dt直接相关，具体高频电流熄灭弧力dI/dt的数值为50～300A/μs。灭弧室绝缘强度为0～50kV/mm，35kV真空断路器介质绝缘恢复强度特性统计值约为25kV/mm。在仿真模型中，双触头的直流限流熔断器时刻tb 和第35kV 真空断路器的介质绝缘恢复拟合为式（3）所示：

电抗器的尺寸参数是额定值容量10000kvar，每相电感为0.38H，绕组电阻1Ω，且电抗器的相间、相对地、匝间分布电容均小于1500pF。母线参数为等值的对地电容大约为0.25μF。

4.2 仿真结果与分析

4.2.1 开关时间影响

为了探讨切换时间对过电压的影响，采用半周期试验（10ms)，对三相及相间的过电压峰值进行了仿真模拟。

在无相控性条件下，并联式电抗器的重燃概率大约为99%，且有较高的重燃概率，而非重燃的最大燃弧持续时间为6.5-3.3=3.2ms。最大线端电压为93.61kV，但并联交流电抗器最大过电压为185.12kV，其过电压十分严重，对电气设备的绝缘性能有很大的影响。

对35kV 真空断路器的第一次启动电流加以控制，在超过规定的限度后，就可以保证绝缘的波形和瞬时恢复的电流波形之间没有交叉，消除再燃。燃弧持续时间超过3.3ms时，则可选择三相分相独立的运行机制，通过对断路器加以控制，从而实现了对断路器在工作环境中的再燃电流的直接控制。

4.2.2 随机投切和相控投切模拟

在仿真模拟中，将随机抛入的燃弧时间设定为1ms，在1ms 内发生重燃；相控输入时的燃弧时间与实际情况基本一致，设定为6.7ms，不会发生重燃。并联电抗器母线侧和电抗器侧过电压仿真结果见表3。

表3 并联电抗器母线侧和电抗器侧过电压仿真结果

由表3 可知，经过计算后的波形特性和实际过电压的倍率比较一致；采用相控技术时，复燃现象减少，同时能够更有效地控制并联电抗器的电流。

5 结语

本文以35kV 并联式电抗器为例，从理论依据和现场试验进行了研究。一是在交流电抗器被输入或被切掉后，燃烧的临界状态是断口介质绝缘恢复曲线与断口瞬时变化恢复电压的交点。因此，如果燃弧时间被适当增加，复燃可以被减小或者甚至完全地减小。二是在断开并联电抗器的过压超过允许值时，会产生很大的过压，从而危及装置的正常工作。在电抗器的投切试验中，该电路具有优良的特性，在断开电抗器时，不会引起断路器的复燃、运行过电压等问题。三是在仿真中，如果没有增加相位控制功能，则极有可能发生切换和重燃，仅在电弧达到3.3ms 时，不会发生重新点燃。试验证明，采用这种方法得到的时域波形与实测波形具有很好的一致性，采用相控技术后，能够很好地抑制复燃和过压。