真空斷路器開斷并聯電抗器的仿真分析

余 豐，鄭升訊，陳巧勇，徐建文，鮑巧敏

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

真空斷路器開斷并聯電抗器的仿真分析

余 豐，鄭升訊，陳巧勇，徐建文，鮑巧敏

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

近年來，隨著真空斷路器在電力系統的普及應用，與之相關的系統過電壓事故也時有發生，特別是在開斷感性負載時更為常見。為了能對過電壓的發展過程進行更為深入地研究，應用EMTP對某變電站真空斷路器開斷并聯電抗器過程中產生的操作過電壓進行仿真分析。通過建立電弧電流過零判斷、重燃判斷、真空開關介質動態絕緣強度曲線等模型，模擬真空斷路器開斷過程中的重燃過程。仿真結果表明，真空斷路器開斷感性負載時，一旦發生三相電弧的反復重燃，操作過電壓峰值會遠高于系統額定運行電壓，對系統絕緣帶來嚴重的安全隱患。

真空斷路器；操作過電壓；并聯電抗器；EMTP

0 引言

真空斷路器具有開斷容量大、滅弧能力強等優點，因而在電網低壓側得到了廣泛的應用。然而統計顯示，近幾年電網運行中，在操作真空斷路器開斷并聯電抗器時，多次發生絕緣擊穿事故。目前國內外學者研究認為，真空斷路器在開斷感性負載時，易發生電弧的反復重燃，產生極高的操作過電壓，使系統絕緣薄弱處擊穿。

由于開斷過程中的過電壓發展過程復雜，影響因素多，試驗條件苛刻，因此計算機仿真分析被廣泛應用于過電壓研究中。20世紀90年代就有國外學者使用可控電阻模型來模擬真空斷路器開斷過程中的截流與重燃現象，后經HELMER.J等人的發展建立了更加完備的斷路器模型[1-4]。國內亦有許多學者對此作了大量的研究，建立了考慮斷路器動態絕緣特性、相間耦合、截流能力等因素的仿真模型[5-6]。

1 過電壓產生機理

真空斷路器在開斷感性負載時，電網狀態的變化導致系統內部電容和電感間的電磁能量相互轉換，造成振蕩，產生操作過電壓[7]。當電弧電流小，斷路器滅弧能力強，強制熄弧時，則會產生截流過電壓。此外真空斷路器開斷過程中，觸頭兩端的恢復電壓為母線側工頻電壓和負載側高頻振蕩電壓疊加形成，若斷路器介質動態絕緣強度不足會導致斷路器再次擊穿；若上述過程在開斷過程中反復發生，會在斷路器觸頭兩端疊加產生極高的恢復過電壓，即重燃過電壓。同時，由于斷路器開斷過程中三相間的耦合作用，首相熄弧過程中產生的高頻電流會通過耦合作用在其他兩相產生高頻電流，導致另兩相產生比首相截流過電壓更高的操作過電壓[8]。

2 系統模型建立

針對某220 kV變電站35 kV側系統，運用EMTP（電力系統暫態仿真程序）對系統操作過程中的過電壓進行了仿真分析。EMTP軟件于1968年由加拿大H.W.Dommel教授首先創立，后經眾多研發人員的努力，逐步完善，具有規模大、功能強等優點，已廣泛應用于電力系統的穩態及暫態仿真計算。

該站在采用真空斷路器開斷35 kV 1號并聯電抗器的過程中，35 kV母線側2號接地所用變壓器（以下簡稱所用變）發生絕緣擊穿故障。故障前系統運行方式為：

（1）1號主變壓器（簡稱主變）送35 kVⅠ段、Ⅱ段母線，35 kV母分斷路器閉合。

（2）35 kV 1號、2號、3號、4號電容器熱備用，35 kV備用間隔冷備用。

（3）35 kV 1號、2號電抗器運行。

（4）35 kV 1號、2號接地所用變運行（發生故障時已運行1.5 h）。

系統簡化接線圖與EMTP系統仿真圖如圖1、圖2所示。

圖1 系統簡化接線

仿真電路元件模型參照該站參數進行計算。1號主變35 kV側電源的短路阻抗根據廠家試驗數據計算為0.375 mH。35 kV側接地所用變型號DKSC-1500/400/37，等值參數根據廠家提供試驗數據計算。油浸式并聯電抗器型號BKS-10000/35，星型連接，中性點不接地，各相電感值均為444.2 mH。電纜參數根據資料近似選取，電纜的單位長度電感約為0.4μH/m。系統雜散電容、變壓器開口電容等參數均參照文獻[9-11]近似選取。該系統仿真未考慮避雷器的影響。

圖2 EMTP系統仿真

3 真空斷路器EMTP模型

此處真空斷路器的仿真模型參考了現有國內外學者的研究成果[10，12-15]，主要包含電弧電流過零判斷模塊、開關介質動態絕緣強度模塊、電弧重燃判斷模塊、開斷信號輸出等模塊，見圖3。真空斷路器采用TACS控制斷路器（SW-TACS），其余邏輯控制模塊均采用TACS元件搭建。

圖3 真空斷路器模型

3.1 電弧電流過零判斷模塊

真空斷路器具有較強的熄弧能力，能在電流過零點熄弧。基于EMTP采用數值計算方法，其計算步長Δt遠小于工頻電流的周期；因此可以通過判斷t時刻以及t-Δt時刻電流的正負符號變化情況來判斷該時刻電流是否過零點[10]。首先將斷路器的電流信號通過TACS元件取出，通過延時器（TACS：DEVICE53）將電流信號延遲Δt后輸出，再與t時刻的電流共同通過比較器（TACS：DEVICE60）。 若兩信號相乘結果為負值， it×it-Δt〈0，則判斷在這段時間內，電流過零，電弧熄滅，該t時刻即為斷路器的開斷時刻[10]。電流過零判斷模塊邏輯如圖4所示。

圖4 電流過零判斷模塊

3.2 動態絕緣強度及電弧重燃判斷模塊

真空斷路器開斷過程中，隨著斷路器兩觸頭間距離的增加，觸頭間的絕緣強度也不斷增大，稱為斷路器介質動態絕緣強度。很多仿真分析將斷路器動態絕緣強度與時間取近似直線關系，但是實際開斷過程中受斷路器工藝等因素影響，它們并非完全呈線性關系。此處介質動態絕緣強度曲線選取由試驗數據所擬合的公式。由于斷路器開斷過程中恢復過電壓波形的幅值受到斷路器絕緣特性的限制，因此恢復電壓波形的上部包絡線即可認為是斷路器的動態絕緣特性曲線。斷路器分斷時間從電流第一次過零熄弧時刻算起。將試驗得到的恢復電壓波形上部包絡線擬合即可得到斷路器動態絕緣強度公式[9]。動態絕緣強度ud（kV）與斷路器分斷時間td（ms）擬合公式為式1，其關系曲線如圖5所示。

圖5 介質動態絕緣強度與分斷時間關系

電弧開斷的同時，觸頭間的恢復電壓亦會發生振蕩變化。如果恢復電壓大于觸頭間動態絕緣強度，則判定真空斷路器發生了電弧重燃。電弧重燃判斷模塊的流程如圖6所示。

圖6 真空斷路器的電弧重燃判斷流程

4 仿真結果分析

圖7 真空斷路器斷口間恢復過電壓

根據斷口恢復電壓波形顯示，見圖7，采用真空斷路器開斷35 kV側1號并聯電抗器過程中，斷路器內部發生了三相電弧的反復重燃，隨著重燃次數和時間的增加，觸頭兩端的恢復過電壓不斷疊加升高，且存在較高頻分量。三相電弧重燃時間分布約在5.5～7.5 ms，斷路器觸頭兩側恢復過電壓峰值發生在B相可達到約160 kV。圖8為開斷過程中電弧電流波形，每次電弧的重燃均會在回路中產生高頻電流，且隨著重燃次數的增加，電弧電流亦會逐漸增大，峰值同樣出現在B相，可達約38 kA。

圖8 三相電弧電流波形

斷路器的電抗器側過電壓波形表明（見圖9），并聯電抗器在開斷過程中的過電壓峰值會升至約130 kV，對電抗器絕緣造成沖擊。

電弧重燃過程中，系統母線側的電壓亦會發生較大幅度的高頻振蕩，峰值近70 kV（見圖10），遠超系統額定電壓，對母線側設備運行造成安全隱患。直至電弧重燃過程結束，系統電壓才逐步穩定。在此過程中，母線側的設備經歷了過電壓的考驗，這導致實際操作中，該站系統絕緣薄弱處即2號接地所用變進線位置，發生絕緣擊穿。

圖9 電抗器側三相過電壓

仿真結果表明，真空斷路器開斷并聯電抗器過程中可能發生三相電弧重燃，并產生較高的過電壓，因此建議在真空斷路器選型時應加強對分閘特性及重燃特性的考核。根據目前研究現狀，主要可通過2種方式消除開斷并聯電抗器時產生的操作過電壓：

（1）通過加裝阻容吸收器，末端開斷并抗等改變電氣回路的方式來使操作過電壓盡量減小。但是由于操作過電壓存在較大的高頻分量，其受變電站線路參數、變壓器參數、系統雜散電容等分布參數影響較大，因此改變電氣回路的方式對于不同的變電站效果不同，很難實現統一的解決方案；且增加設備會使系統更加復雜，可能帶來其他的負面影響。

圖10 母線側三相電壓

（2）使用滅弧性能更強、動態絕緣強度特性更好的高性能斷路器，以及具有相控分閘技術的斷路器等方式來抑制并抗開斷過程中產生的操作過電壓。該方式重在提高斷路器的開斷特性，從源頭上消除并抗開斷過程中電弧重燃現象發生，避免操作過電壓的產生，值得進一步的發展研究。

5 結語

基于EMTP軟件建立了真空斷路器的仿真模型，并針對實際事故案例進行了操作過電壓的仿真分析。該模型考慮了真空斷路器開斷過程中介質動態絕緣強度及三相間電路的相互影響，定量反映了開斷過程中重燃過電壓的發展過程。仿真結果對于斷路器的技術指標、結構設計等具有一定的指導意義，對實際生產中斷路器的選型及絕緣配合的設置也有一定的幫助。

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[15]萬亦如，杜鵑，劉莊.隔離開關多次重燃的VFTO計算模型[J].浙江電力，2014，33（2）∶22-25.

2017-09-15

余 豐（1986），男，工程師，主要研究方向為高電壓與絕緣技術及帶電檢測技術。

（本文編輯：陸 瑩）

Simulation Analysis on Shunt Reactors Breaking with Vacuum Breaker

YU Feng， ZHENGShengxun， CHEN Qiaoyong， XU Jianwen， BAO Qiaomin
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009， China）

With the wide application of vacuum breakers in power system in recent years，the consequential system overvoltage accidents also happen frequently，especially when the inductive load is switched.In order to further study the development of overvoltage，EMTP is used to simulate the operating overvoltage in substation during shunt reactors breaking with vacuum breaker.By establishing models of arc current zero-crossing,arc reignition and dielectric strength characteristics，the arc reignition during the opening process of vacuum switch is simulated.Simulation results show that，if the arc reignition occurs when the inductive load is cut off by the vacuum switch，peak of operating overvoltage is much higher than rated operating voltage of the system，which brings serious security hazards to system insulation.

vacuum breaker； operating overvoltage； shunt reactor； EMTP

10.19585/j.zjdl.201710010

1007-1881（2017）10-0050-05

TM743

B