干式空心并聯電抗器開斷過程中復燃過電壓研究

田　平，沈弋戈，陳杰辰，楊　帆，巫煒亮，陳　炯

(1. 國網福建省電力有限公司三明供電公司，福建 三明　365200；2.上海電力學院 電氣工程學院，上海　200090)

基于真空斷路器在開斷感性負載時的優越性能，我國在35 kV電網系統中常用其來開斷并聯電抗器組。但近10年來，電抗器異常及故障時有發生，其中大多數為繞組間匝間絕緣擊穿故障。為探究35 kV系統中真空斷路器開斷并聯電抗器時對其匝間絕緣產生的破壞。結合上海某變電站電氣主接線圖，在理論和計算的基礎上從真空斷路器的工作原理和開斷過程中產生的復燃過電壓的幅值及頻率分析其對電抗器的匝間絕緣產生的影響。

1　復燃過電壓產生機理

1.1　真空斷路器及其工作原理

真空斷路器在用來投切并聯電抗器組時(開斷感性負載)，容易產生三種過電壓：操作過電壓，即截流過電壓、復燃過電壓以及三相同時開斷過電壓。工作過程中當觸頭分離，電極之間場強很大，不會立刻實現開斷功能而是伴隨著產生電弧。在電極剛剛進行分離的瞬間，電流會收縮到觸頭剛剛分離的某一點或者某幾點上，導致電極間的電阻值快速上升、溫度快速升高，直至電極金屬的蒸發，同時形成極高的電場強度，因此容易引起電子發射和間隙的擊穿，形成真空電弧。真空中的電弧與空氣等其他介質當中的電弧，在表現形式和特性上有本質上的不同，主要依靠電極不斷地產生金屬蒸汽來維持。真空電弧的熄滅唯一的辦法就是將電弧電流減小到一定程度后，其不再足以維持電弧持續燃燒才有可能將其熄滅。對于交流電來說，每周期真空電弧都會出現自然過零點，這提供了熄滅電弧的重要條件。

1.2　復燃過電壓的形成

斷路器在開斷過程中，觸頭間會產生頻率高，上升速度快的暫態恢復電壓(TRV)，若斷口處的絕緣強度恢復能力小于TRV時，則斷口處就會發生重燃，引起復燃過電壓。

為分析復燃過電壓產生機理，用單相集中參數的分閘空載線路簡化等值電路來分析(見圖1)。

圖1　分閘空載線路等值電路圖

圖1中，Ls表示電源等值電感，Lt表示輸電線路等值電感，QF表示真空斷路器，Ct表示線路對地電容。

設電源AC為e(t)=Emcos(wt)，在斷路器斷開之前，UCt(t)=e(t)，假設第一次熄弧發生在工頻電壓最大時即工頻電容電流過零點，假設此時時間為t1，如圖2所示。若不考慮運行過程中電場能量的損失和泄露，半個周期后，UCt依然保留為Em，則斷路器觸頭間電壓為：

Ur(t)=e(t)-Em=Em(cos(wt)-1)

(1)

e(t)=-Em，此時，觸頭間恢復電壓Ur(t)幅值達到2Em。假設在t2時刻，若觸頭間的絕緣恢復強度上升速度沒有恢復電壓高，則會造成電弧第二次重燃，相當于反極性重合閘。當電路對地電容上電壓從Em過度到-Em時，會產生高頻振動，此時電容電壓幅值將達到3Em。假設在t3時刻，高頻電流過零點時，回路震蕩頻率：

(2)

大于工頻電容電流第一次過零時熄弧，則Uc(t)保持在-3Em，再經過半個工頻周期后，電源電動勢再次達到最大值，若此時絕緣恢復強度上升速度依舊不夠，將再次發生重燃，觸頭間電壓Ur(t)達到4Em，產生幅值更高的振蕩，線路電容電壓將UCt達到5Em。依次類推，每半個工頻周期后電弧都會重燃一次，抬高線路過電壓，直至觸頭間絕緣強度恢復的足夠高，超過恢復電壓上升速度，電弧不再重燃，完成開斷過程。

這些分析僅為理想過程，實際情況中將會受到一系列復雜因素的影響，切除空載線路的過電壓也不會無限增大。

圖2　分閘空載線路過電壓發展過程

2　復燃過電壓的等值電路

2.1　單相等值電路

在計算由真空斷路器分閘引起干式空心并聯電抗器過電壓時，斷路器切斷電抗器等值電路如圖3所示。圖3中：Vs為母線電壓源，Ls為母線側引線電感，Cs為母線側等效電容，Rs為母線側等效阻尼電阻，K為斷路器開關，Lp為斷路器開斷后等效電感，Cp為斷路器開斷后等效電容，Lw為電抗器側引線電感，CL為電抗器等效對地電容，L為電抗器電感，RL為電抗器并聯等效電阻。

圖3　切斷單相電抗器等值電路

假設在t=0時刻工頻電流過零點開斷斷路器，發生重燃。此時，母線側電容Cs、母線側電阻Rs、電抗器側引線電感Lw和電抗器等效對地電容CL構成振蕩回路，形成復燃過電壓。系統一般滿足Cs>U0>CL，可以認為復燃過程Cs上的電壓保持U0不變。

此時，回路電壓方程為：

(3)

解二階非齊次微分方程式(2)得：

u=U0±exp(-δt)[C1cosωt+C2sinωt]

(4)

將t=0時，I0=0，設此時斷路器上擊穿電壓為Ur，將這兩個初值條件代入式(4)，解得：

u=U0±exp(-δt)Urcosωt

(5)

斷路器的擊穿電壓與其重燃次數相關，而不同型號的斷路器的在實際開端過程中的重燃次數其高頻電流熄弧能力、瞬態電壓上升率和開斷速度相關，因此不做相關數值計算。

2.2　三相等值電路

為討論不同情況下產生的復燃過電壓對電抗器匝間絕緣造成的影響，根據上海某變電站實際電氣主接線圖進行分析。具體電路圖如圖4所示。圖4中：Cs為母線側等效電容，Rs為母線側等效阻尼電阻，Lw為電抗器側引線電感，Cz為電抗器等效對地電容，L為電抗器電感，RL為電抗器并聯等效電阻。

圖4　三相產生復燃過電壓的高頻等值電路

對于三相電路來說，復燃過電壓可大致分為三個過程：工頻電流首先過零相的復燃、非工頻電流過零相的強制熄弧復燃以及三相多次復燃。

非工頻電流過零相的強制熄弧復燃過電壓的產生主要是由于三相電纜相間存在耦合效應，因此當首開相發生復燃后，產生的高頻電流會引起其余兩相也感應出高頻電流，并疊加在工頻之上。若感應電流足夠大，由于真空斷路器的高頻滅弧能力，電流會被強制開斷，相比首開相來說產生幅值更高的過電壓。

由于開斷過程中觸頭間距不斷增大，因此每次復燃時對應的擊穿電壓也不斷增大，復燃時產生的高頻電流也隨之增大，由于三相電露的耦合作用，工頻電流過零相發生復燃時，其余兩相也極有可能發生復燃。而斷路器觸頭間的擊穿電壓具有一定的隨機性和分散性，因此各相發生復燃的時間各不相同，具有一定的獨立性，整個復燃過程中，三相之間相互耦合抬高過電壓幅值，卻在復燃時刻上相對獨立。

3　復燃過電壓的數值計算

經過調研得知上海某變電站使用電抗器型號為BKDGKL-10000/35，其電感量L為0.2 H，縱向電容Cz為100 pF，并聯電阻RL為500 kΩ，電抗器側引線電感Lw為10 μH，母線側等效電阻Rs為10 Ω。假設A相工頻電流過零點時操作斷路器，復燃首先發生在A相。

3.1　工頻電流過零相

國家標準GB 311.1《高壓輸變電設備的絕緣配合》中指出：對10 kV和35 kV的設備的外絕緣干狀態下短時工頻耐受電壓的值分別提高到42 kV和95 kV。但這并不意味著對外絕緣的要求或絕緣水平提高，在此電壓范圍內，絕緣水平主要是由雷電沖擊耐受電壓決定的。因此，取電弧首次復燃的擊穿電壓為95 kV。根據式(5)得出初始電壓為U0+Ur首開相的首次復燃過電壓波形見圖5。

圖5　首開相復燃過電壓波形

其過電壓幅值為144 497 V，大約為3(標么值)。出現在t=0時刻，及首開相工頻電流過零點時刻。若其初始電壓為U0-Ur，波形類似，幅值相同，再此不再作圖。

3.2　非工頻電流過零相強制熄弧

在A相發生復燃后，計算因耦合效應在B、C兩相上產生的高頻電流。

(6)

式中ik——電容Czk復燃產生的高頻電流，k=A、B、C。

根據式(5)、式(6)計算得到：

iA=-10-10[47 500 000 000e-δtcosωt+

3 003 788 185 000e-δtsinωt]

(7)

當t=0時刻，相當于在原有截留值的基礎上疊加產生的高頻電流4.75 A。設原有的截留值I0=10 A，根據三相電路之間的相位關系。B、C兩相因耦合效應疊加在原有截留值的感應高頻電流大小相同，方向相反，分別為±4.75 A。

根據截留過電壓式(8)：

(8)

將I0=10+4.75=14.75(A)代入式(8)，畫出B相過電壓波形圖如圖6所示，圖中時間出現負數僅表示斷路器開斷過程前為正常工況。

圖6　B相電抗器上產生的高頻過電壓

放大高頻部分后如圖7所示。

圖7　放大后波形圖

當δ1=ω1時，出現最大值對應的時間及最大值為

(9)

(10)

幅值可達到650 346 V，為13(標么值)。這無疑給電抗器的匝間絕緣造成更大的破壞。

3.3　三相多次復燃

為計算最大過電壓值，假設首開相A相發生復燃后，B相也發生復燃，C相通過中性點耦合從而產生幅值更高的復燃過電壓，計算過程同3.2，本文再此不做贅述。

計算出的C相因耦合效應產生的高頻電流為8.3 A，根據式(8)，計算出該工況下產生的過電壓幅值為819 896 V，為16.6(標么值)。這說明在三相均產生復燃的情況下，給設備的絕緣造成更大的危害。

4　結語

計算結果表明，單相模型下，復燃初始電壓幅值僅與斷路器擊穿電壓有關，三相模型下，復燃電壓的幅值與斷路器截留值，電抗器電感量與對地電容有關。

將斷路器復燃產生的過電壓分為三類，其幅值分別為3.0(標么值)，13.0(標么值)，16.6(標么值)。應盡量避免三相同時復燃給電抗器匝間絕緣水平造成巨大破壞。

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