礦山供電網絡操作過電壓產生的原因及抑制措施

2010-11-17 03:06:24王紅帆孫耀明

采礦技術 2010年2期

王紅帆,孫耀明

(銅陵有色金屬集團公司安慶銅礦, 安徽銅陵市 246131)

王紅帆,孫耀明

(銅陵有色金屬集團公司安慶銅礦, 安徽銅陵市 246131)

分析了礦山供電網絡發生操作過電壓的原因,探討了抑制過電壓的技術措施,介紹了安慶銅礦解決操作過電壓問題所采用的技術方法和實際應用效果。

供電網絡;操作過電壓;抑制措施

0 前言

在供電網絡中,由于各種原因,如雷擊、操作不當或參數不匹配等,都有可能造成供電網絡中某些部分的電壓突然升高,甚至大大超過正常值,造成供電設備損壞。

安慶銅礦為銅陵有色集團公司屬下的一個大型礦山,年處理礦石115萬t,其供電方式采用110kV雙回路供電。在投產初期,經常出現在投入和切除空載時產生過電壓現象,其中最為嚴重的一次是投運主變壓器時產生線路過電壓,導致一路高壓電纜過電壓擊穿,一臺高壓柜燒壞。由于供電不正常,生產處于半停產狀態。本次事故造成直接經濟損失十幾萬元,間接經濟損失上百萬元。

通過專家會診分析,確認造成故障的主要原因不是容量不足或變壓器問題,而是“操作過電壓”。在分合閘過程中,供電網絡非常容易產生操作過電壓,對于絕緣性能不好的電器設備極易產生擊穿、燒毀現象。

為配合供電網絡的改造,有效防止此類事故的再次發生,本文對供電網絡操作過電壓發生的物理過程、抑制措施、應對辦法等進行了初步的分析與探討。

1 操作過電壓產生的原因及應對措施

操作過電壓是電力系統中由于開關操作或事故狀態而引起的瞬間過電壓。在開關操作或事故過程中,系統的運行狀態發生突變(操作前后)將引起系統中電容和電感的電磁場能量相互轉換,在這一過程中,電網局部線路可能產生短時間高電壓。常見的操作過電壓主要在切除空載線路時和空載線路合閘時產生。

1.1 切除空載線路引起的過電壓

切除空載線路是電網中最常見的操作過程之一。運行經驗表明開關滅弧能力愈差,開關中電弧重燃的概率愈大,過電壓可能性愈高,事故也就愈大,所以重燃是產生過電壓的根本原因。據有關資料介紹,切除空載線路過電壓,不僅幅值高,而且線路側持續時間可達0.5～1個工頻周期以上(即0.01 s以上)[1]。

1.1.1 產生過電壓的物理過程[1]

空載線路用等值T形電路代替,如圖1所示,簡化后的等值計算電路如圖2所示。

圖1 等值電路

圖2 簡化后的等值計算電路

LT為線路電感,CT為線路對地電容,L為發電機、變壓器的漏感之和,e(t)為電源電勢,LS=L+1/2LT,UAB為觸頭A、B間的恢復電壓。在等值計算電路中:e(t)=EMcosωt,則電流·cos(ωt+90°),Xc和Xs分別為電容和電感的容抗和感抗。

忽略線路電容效應的影響,在開關K斷開之前認為線路電壓u(t)(即電容CT上的電壓)等于電源電壓,設開關在t1時刻動作(見圖3),電容CT上的電壓為-EM,此瞬間流過開關的工頻電流恰好為零,開關中發生第1次斷弧,實際上開關在此之前的工頻半周以內的任何一個時刻動作,只要不發生切斷電流現象,開關中電弧總要到t1時刻才會熄滅,開關斷開后線路電容CT上的電荷將保持下來,使線路保持這個殘余電壓-EM,但開關電源側觸頭上(A)點的電壓仍按電源余弦電勢變化(圖中虛線所示),于是開關觸頭上出現愈來愈高的恢復電壓UAB(圖中陰影部分),其數學表達式為:UAB=e(t)-(-EM)=EM(1+cosωt)。

圖3 電壓波形

如果開關觸頭間去游離能力很強,電弧從此熄滅,線路被斷開,無論為在線側或線路側都不會產生任何過電壓,但若開關性能不良,而觸頭上的恢復電壓UAB經0.01s后可達2EM,在這段時間內就有可能發生重燃。

為研究最危險的過電壓情況,假定重燃發生在UAB最大時刻t2,如圖4所示,此時UAB=2EM,e(t2)=EM,在電弧重燃瞬時,電源電壓EM加在電感LS和具有初始值-EM的電容CT組成的振蕩電路上,回路的固有振蕩角頻率為由于固有振蕩頻率比工頻50周大得多,可以認為在高頻振蕩瞬間電源電勢EM保持不變,即電源通過電感LS對電容CT充電的過程中,CT上電壓所達到的最高值,即線路上的過電壓的數值,忽略回路損耗所引起的電壓衰減可按下式計算:

圖4 電弧重燃時的振蕩波形

過電壓幅值=穩態值+(穩態值-初始值)

當線路CT上電壓振蕩達到最大值3EM瞬間t3時,開關中流過的高頻振蕩電流恰好為零,這時因為回路中流過的是電容電流,因此在t3時刻電弧又將熄滅,而電弧熄滅后線路上就保持3EM的殘余電壓值,假如在t3時刻電弧不能熄滅,那就要等到高頻電流振蕩衰減后的t4時刻工頻電流過零時才會熄滅.此后觸頭之間的距離愈來愈長,則恢復電壓也愈來愈高,到t4時刻恢復電壓UAB可達4EM,如在此時再次發生重燃,CT上的初始值為3EM,穩態值為-EM,故

過電壓幅值=穩態值+(穩態值-初始值)

假如繼續每隔半個工頻周期就重燃1次和重熄弧1次,則過電壓將按3EM、-5EM、7EM…愈來愈高。

上面的分析,已經說明了過電壓發展過程的本質,實際情況還要受到下列因素的影響。

(1)重燃的次數,它與開關的性能有關。次數越多,發生高幅值過電壓的概率越大,通常油開關的重燃次數較多,有時可達4～6次,壓縮空氣開關重燃次數較小或不重燃。

(2)重燃發生的時間,如果電弧重燃發生在1/4工頻半周t0時刻之前,則基本上沒有過電壓發生。

(3)中性點的運行方式,對切除空載線路過電壓有很大影響。在中性點直接接地的電網中,各相有自己的獨立回路,相間電容影響不大,切空載線路過程與上面討論的情況相同,但中性點不接地或經消弧線圈接地時,三相開關分閘的不同期性,會形成瞬間的不對稱電路,中性點將發生偏移,三相之間互相牽連影響,使分閘時開關中電弧燃燒和熄滅的過程變得很復雜,在不利的條件下,使過電壓顯著提高,遠高出中性點接地時的過電壓。

1.1.2 抑制措施

切除空載過電壓是選擇線路絕緣水平和確定電氣設備試驗要求的重要依據,采取措施消除或限制這種過電壓,對于保證系統安全運行和進一步降低電網絕緣水平具有現實意義。因此,為有效抑制這種過電壓,除選用滅弧能力強的快速開關外,還常采用以下措施。

(1)并聯電阻。如圖5所示,在開關主觸頭K1上并聯一定大小(約3000Ω)的電阻R和輔助觸頭K2,以實現線路的逐級開斷。在拉閘時,主觸頭K1先斷開,此時并聯電阻R1就被串聯在回路中,抑制回路中的震蕩,這時K1觸頭兩端的恢復電壓只是電阻R兩端的壓降,主觸頭K1上的電弧不易重燃,同時電阻R將消耗掉線路電容中一部分能量,經1～2個工頻周期,在觸頭K2分閘時,由于前一階段回路中的振蕩受到了抑制,線路殘余電壓又較低,過電壓也就顯著下降。

圖5 帶并聯電阻的開關

(2)線路側接電磁式電壓互感器。由于電壓升高,引起磁路飽和后,阻抗降低的泄流作用,將降低線路上的殘余電壓,從而使這種過電壓具有較低的數值。我國在220kV線路上試驗結果表明,線路側的電磁式互感器可使最大重燃過電壓降低約30%左右[2]。同樣道理,在直流接地系統中,當變壓器低壓側連同變壓器切除空載線路時,變壓器鐵芯的飽和對降低這種過電壓也起到一定的作用。

(3)并聯電抗器也可以減少電弧重燃的機會。

1.2 空載線路的合閘過電壓

1.2.1 產生過電壓的物理過程

等值電路同圖2所示的切除空載線路。在合閘后的穩態過程中,線路上的電壓由于電容效應自首端到線路末端將按正弦規律逐漸增高,在合閘初瞬間的暫態過程中,電源電壓通過電感LS對電容CT充電,回路中將發生高頻振蕩過程,由于振蕩頻率很高可以認為在振蕩初期電源電壓為恒定值,故按等值電路來計算:E=Lsdi/dt+1/CT∫idt,E為合閘瞬間電源電壓瞬時值,由此得出:E=LsCTd2Uc/dt2+Uc,它是線路電容CT上的電壓UC對時間的微分方程,其解為:Uc=Asinω0t+Bcoωs0t+E,其中, ,A、B為積分常數。

由起始條件t0=0時,Uc=0,i=CTdUc/dt=0,故Uc=E(1-cosωt);當t=π/ω0時,coωs0t=-1,即合閘后π/ω0時刻Uc達到最大值Ucmax=2E。

1.2.2 抑制措施

(1)采用帶并聯電阻的開關,如圖5所示,帶并聯電阻開關合閘時動作順序與分閘相反,輔助觸頭K2先接通,電阻R對回路中的振蕩過程起阻尼作用,使過渡過程中的過電壓降低,電阻越大,阻尼作用越強,過電壓也就越低,經1～2個工頻周期以后,主觸頭K1閉合,將合閘電阻短接,完成了合閘操作。

(2)降低殘余電壓。采用接在線路側的電磁式電壓互感器在開關初合后幾個工頻周期內,就能把全部殘余電荷泄放掉。

此外,據資料介紹,同步合閘也在研究中,即通過專門裝置控制,使開關恰好在觸頭電位差為零時完成操作,就能基本上消除暫態過程,合閘過電壓就大大降低。