真空斷路器投切35 kV電抗器相關問題研究

夏紅光，陸丹丹

（國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316021）

真空斷路器投切35 kV電抗器相關問題研究

夏紅光，陸丹丹

（國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316021）

35 kV真空斷路器投切電抗器時可能會產生較高的操作過電壓進而引發故障，浙江省電力公司目前采取了多項措施來治理投切并聯電抗器引起的操作過電壓。基于真空斷路器投切并聯電抗器過程中截流、復燃、三相同時開斷過電壓產生的原理，針對所采取的治理措施展開計算和分析，從電路理論角度闡述各項措施的有效性。

真空斷路器；并聯電抗器；操作過電壓；電路理論

0 引言

隨著110 kV及220 kV電力電纜的廣泛應用，線路產生大量的容性功率，主變壓器（以下簡稱主變）低壓側需配置電抗器進行補償。真空斷路器由于其可靠性高、結構簡單、免維護、滅弧能力強和適宜頻繁操作等優異性能，在電網中得到了廣泛應用。但在實際運行中，高壓真空斷路器也存在一些不足，如在開斷電抗器等感性負載時，可能會產生截流過電壓、多次重燃過電壓及三相同時開斷過電壓。2010年以來，浙江電網發生多起空母線開斷35 kV并聯電抗器引起所用變壓器（以下簡稱所用變）損毀、主變出口短路等故障，嚴重影響了系統安全運行，尤其是在空母線開斷并聯電抗器時母線側過電壓問題顯得更為突出。針對真空斷路器投切35 kV電抗器易出現操作過電壓的問題，浙江省電力公司采取了中性點斷路器投切、斷路器前置投切等多種措施，并取得了較好效果。但此類研究主要是基于ATPEMTP軟件的計算結果及研究者的經驗展開的，以下基于電路理論，對操作過電壓產生的機理進行分析，并通過計算值更加直觀地闡述各項具體治理措施的有效性。

1 真空斷路器投切電抗器產生的過電壓分析

真空斷路器投切電抗器時可能會產生截流過電壓、多次重燃過電壓及三相同時開斷過電壓。

（1）截流過電壓。

因真空斷路器滅弧能力強，真空斷路器在開斷電抗器時，電流會被強迫過零而產生截流。并聯電抗器等效回路由電容、電感組成，電壓電流無法突變，因此截流可能會引起劇烈的電磁振蕩，進而產生較高的截流過電壓。

（2）重燃過電壓。

在斷路器分閘時，斷路器觸頭未完全開斷，動、靜觸頭之間距離不大，而斷路器負載側電壓幅值和振蕩頻率很高，導致觸頭兩端電壓恢復速度遠超過斷口絕緣強度恢復速度，觸頭可能被擊穿，導致電弧復燃。又由于真空斷路器強大的滅弧能力，復燃的電弧被強制滅弧，導致斷路器電弧不斷復燃—熄滅，由于電壓級升效應，強度可能會不斷增強，直至觸頭間的距離足夠大，足以耐受恢復電壓為止。

（3）三相同時開斷過電壓。

斷路器開始分閘后，其中一相電壓會首先過零而出現熄弧，稱為斷路器首開相。但是當首開相出現截流過電壓甚至多次重燃過電壓時，首開相的高頻電流會疊加在另外兩相的工頻電流上，使工頻電流在非自然過零點出現一個高頻過零點，被強制熄弧，造成了與截流效果相同的過電壓。此時的等效截流值很大，三相幾乎同時開斷，稱為三相同時開斷過電壓。據研究，35 kV并聯電抗器開斷過程中的等效截流值能達到100 A以上，產生極大的等效截流過電壓，進而引起三相斷口的連續擊穿。

2 計算分析

研究表明，目前三相同時開斷過電壓是真空斷路器開斷35 kV并聯電抗器最常見、最嚴重的過電壓形式。而無論斷路器開斷時有否發生截流，首開相都會因為觸頭兩端恢復電壓上升速度超過斷口絕緣強度恢復速度而復燃，隨后首開相高頻電流疊加在另兩相工頻電流上，被強制熄弧，造成了與截流效果相同的三相同時開斷過電壓。

浙江省電力公司已采取多項措施來防止并聯電抗器投切引起的操作過電壓，包括：35 kV系統帶出線投切電抗器、斷路器前置投切電抗器、中性點加裝斷路器投切電抗器。以下結合各項措施的原理并基于變電站實際數據進行計算分析，來驗證措施的有效性。

2.1 變電站基本情況

某220 kV變電站有主變2臺，主變容量為2× 240 MVA，35 kV側裝有2×10 Mvar電抗器，35 kV母線無系統出線。220 kV變電站接線示意見圖1，并聯電抗器等值回路見圖2。根據變電站提供的母線長度及尺寸，估算得到35 kV母線對地電容為500 pF，所用變與開關采用電纜連接，長度約20 m，估算得到對地電容為4 000 pF。考慮部分設備間的其他連接，如主變至開關室母排15 m，估算對地總電容約200 pF，再考慮其他一些雜散電容后，35 kV母線對地總等效電容值為5 300 pF。電抗器每相電感Lk約0.4 H，油浸式電抗器對地雜散電容取1 000 pF。電抗器與開關之間采用電纜連接，長度約60 m，電纜單相對地電容為12 000 pF，考慮到電容均勻分布，Cl0=Cl1=6 000 pF；電感為24 μH，忽略不計。

圖1 某220 kV變電站接線示意

圖2 并聯電抗器等值回路

2.2 空母線投切電抗器操作過電壓產生機理分析

真空斷路器的滅弧能力很強，當斷路器開斷電抗器時，不是在自然過零點熄弧，而在某一小電流值時強制截斷熄弧。由于電抗器回路繞組對地的雜散電容，電抗器回路組成了一個電感、電容回路，回路電壓電流無法突變，因此產生了高頻的電磁振蕩。

根據能量守恒定律，截流發生在某一瞬時I0時，電抗器上的電壓為U0，則截流瞬間電抗器的總儲能W為：

式中：LT為電抗器回路電感；CT為電抗器回路對地電容。

按能量守恒定律，當磁能全部轉化為靜電電能時，電抗器上的電壓將達到最大值UTm，因此由截流引起的電抗器上的過電壓為：

振蕩頻率為∶

空母線并聯電抗器等值回路見圖3。一般真空斷路器截流電流在5 A左右，斷路器開斷后，在斷路器負載側發生電磁振蕩，此時，負載側電容為電抗器與斷路器之間的連接電纜及電抗器對地雜散電容之和，即CT=Cl0+Cl1+Ck=13 000 pF，U0=37 kV，LT=0.4 H。若真空斷路器發生截流，I0= 5 A，根據式（2）和（3），計算得到UTm=46 kV，f0= 2 200 Hz；若真空斷路器未發生截流，I0=0，則UTm=37 kV，f0=2 200 Hz。根據研究，無論是否發生截流，首開相都會復燃。首開相復燃后，負載側與系統側連通，此時振蕩電容CT1為系統側和負載側電容之和，即CT1=CT+Cm=18 300 pF，LT1=LT，假設電流為0不突變，則首開相復燃后，母線振蕩電壓、振蕩頻率分別為：

圖3 35kV空母線投切并聯電抗器等值回路

計算結果顯示，此時振蕩引起的電壓很高，斷路器端口電壓能達到擊穿絕緣水平的要求，而振蕩頻率又不是很大，達不到斷路器開斷失敗的條件，因此容易發生截流復燃再截流再復燃的現象，首開相的高頻電流會疊加在另外兩相的工頻電流上，造成了虛擬截流現象，最后發展為三相同時開斷的極端情況。

2.335 kV母線帶系統出線

若35 kV母線有出線，架空線路10 km，電纜線路3 km，線路電容CL約600 000 pF，LL為線路電感。35 kV母線帶系統出線并聯電抗器等值回路見圖4。

圖4 35kV母線帶系統出線投切并聯電抗器等值回路

首開相復燃后，回路電容為CT1=CT+Cm+CL= 613 000 pF，振蕩電容增大，振蕩電壓UTm1=，電壓下降，振蕩頻率f=3210Hz。而事實上，由于系統出線的電感與電抗器電感并聯后，并聯電感整個振蕩回路電感將更小，因此實際產生的振蕩電壓為UTm2=其值小于6.5 kV。

計算結果顯示，在系統有出線的情況下，特別是系統出線有電纜的情況下，首開相復燃后，由于系統側的電容很大，振蕩引起的電壓立刻下降，振蕩頻率下降，不會引起嚴重的操作過電壓。

2.4 斷路器前置投切并聯電抗器

采用斷路器前置投切（等值回路見圖5），即CT=Ck=1 000 pF，LT=LK=0.4 H，經計算UTm=105 kV，f0=7 961 Hz。此時回路振蕩電壓幅值和頻率都很高，而斷路器開斷電流需要同時滿足2個條件：斷口電壓幅值大于斷口絕緣承受能力；電流過零時電流變化率不能超過一定幅值。此時由于電容很小，引起斷口電壓幅值很高，且振蕩頻率很高，因而容易造成斷路器開斷失敗，斷路器開斷失敗轉為續流后，過電壓將立即消失。

圖5 斷路器前置投切并聯電抗器等值回路

計算結果表明，采用斷路器前置投切，減少斷路器負載側的電容，電容減小到一定程度，則振蕩頻率變得很大，斷口電壓幅值很高，因此斷路器將無法滿足開斷條件，斷路器開斷失敗轉為續流，過電壓立即消失。

2.5 中性點斷路器投切并聯電抗器

中性點側裝設斷路器，采用中性點斷路器投切并聯電抗器等值回路見圖6。此時負載側回路被斷開，不再發生電磁振蕩，因此也無法產生操作過電壓。中性點斷路器系統側由于電容很大，電感很小，產生的振蕩電壓也不會很大。

圖6 中性點斷路器投切并聯電抗器等值回路

計算結果表明，加裝中性點斷路器后，采用中性點斷路器投切并聯電抗器，振蕩回路斷開，無法再發生電磁振蕩，因此不會再產生嚴重的操作過電壓問題。

3 結論

針對治理并聯電抗器投切引起操作過電壓的各種措施，結合操作過電壓產生機理及基于變電站實際數據進行計算分析，得出如下結論：

（1）結合空母線投切電抗器產生操作過電壓的原因，無論是否發生截流，由于斷路器觸頭兩端恢復電壓上升速度遠超過斷口絕緣強度恢復速度，因此斷路器首開相會發生復燃。復燃發生后，由于整個振蕩回路的電容不大，因此電壓很高，斷路器端口電壓能達到擊穿絕緣水平的要求，而振蕩頻率又不是很大，達不到斷路器開斷失敗的條件，因此容易發生截流復燃再截流再復燃的現象，最后發展為三相同時開斷的極端情況。

（2）35 kV母線帶系統出線投切并聯電抗器不會發生嚴重的操作過電壓問題。若35 kV母線有系統出線，特別是帶電纜出線，則斷路器系統側的電容很大，首開相復燃后，整個振蕩回路的電容很大，振蕩引起的操作過電壓立即下降，將不會再引起嚴重的操作過電壓。

（3）采用斷路器前置投切并聯電抗器的原理是直接降低了斷路器負載側電容，使得振蕩頻率很高，振蕩電壓很高，使其無法滿足斷路器開斷的條件，斷路器開斷失敗，直接轉為續流，因此操作過電壓消失。

（4）斷路器中性點投切，直接將負載側的振蕩回路斷開，無法產生振蕩回路，因此將無法產生操作過電壓。

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（本文編輯：方明霞）

下期要目

●600 MW超臨界機組鍋爐寬負荷脫硝技術的探索及實踐

●1 900 t/h鍋爐摻燒低水澳優煤的可行性研究

●智能變電站繼電保護SV及GOOSE輸入自動測試方法

●中性點不接地系統電容電流測試方法優選研究

●±800 kV特高壓輸電線路耐張線夾未壓區鼓脹缺陷分析

●振動監測方法在特高壓電抗器缺陷分析中的應用

●600 MW超臨界機組干態深度調峰能力試驗研究

●基于動調典型安裝方式的爐膛負壓控制優化

●基于先進控制的燃煤機組超低排放指標優化控制技術

●超低排放改造后CEMS測量準確性的提高

Study on Vacuum Circuit Breakers Switching with 35 kV Reactors

XIA Hongguang，LU Dandan
(State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 326021，China)

Due to faults from frequently occurred overvoltage caused by operation of vacuum circuit breaker switching with reactors，many countermeasures have been taken in Zhejiang Electric Power Company to control switching overvoltage owing to vacuum circuit breakers switching with shunt reactors.Based on the principle of overvoltage generation from current chopping，reignition and simultaneous three-phase switching-off during vacuum circuit breaker switching with shunt reactors，the paper conducts calculation and analysis in accordance to the adopted countermeasures and elaborates on the effectiveness of all measures on the basis of electric circuit theory.

vacuum circuit breaker；shunt reactor；switching overvoltage；circuit theory

10.19585/j.zjdl.201706006

1007-1881（2017）06-0026-04

TM472

B

2017-01-20

夏紅光（1971），男，高級工程師，主要從事電網建設、規劃等方面研究工作。