基于ATP真空斷路器開斷并聯電抗器過電壓仿真研究

唐錦 堯楊磊

摘? 要：本文真空斷路器開斷并聯電抗器產生過電壓，在ATP中建立過電壓仿真模型，仿真結果表明，電抗器首端過電壓幅值受斷路器重燃次數的影響，重燃次數越多，幅值累積越高。斷路器重燃原因為斷路器兩端電壓大于絕緣強度，在分閘過程中表現為暫態恢復電壓上升率大于介質絕緣強度恢復速率。重燃過程中的電流頻率很高，所以導致重燃過電壓幅值大、頻率高。

關鍵詞：真空斷路器;并聯電抗器;ATP，重燃過電壓

1、仿真模型的建立

1.1 基于現場重燃試驗的斷路器仿真模型

真空狀態下電壓擊穿場強不變，所以斷路器擊穿電壓大小與觸頭間的距離緊密相關，當斷路器剛分閘時，觸頭間的距離很小，觸頭間的暫態恢復電壓TRV（transient recovery voltage）大于擊穿電壓，從而引發觸頭間的重燃，當電流自然過零時熄滅，之后，恢復電壓再次大于擊穿電壓發生重燃，當電流自然過零時熄滅。從而發生頻繁的電流重燃熄弧，并伴隨產生幅值搞、頻率大的過電壓。在分閘后期，觸頭間距離距已足夠大，觸頭間的恢復電壓小于擊穿電壓，真空絕緣不再擊穿，從而不再發生重燃現象，此時就的狀態為斷路器分閘功成狀態。因此本文主要研究斷路器在小開距情況下的熄弧重燃。基于Helmer模型，考慮截流值、介質動態絕緣強度以及高頻熄弧能力3個因素，在仿真中搭建斷路器分閘初期的電弧重燃模型。

根據運行經驗，10kV真空斷路器的截流值一般為4A～6A，再通過對比本項目現場試驗中分閘操作三相電流的截流值大小4.8A、5.3A，5.1A，確定本次仿真試驗中截流值取5A。根據2.2節中現場試驗數據采集分析，對重燃過電壓的波形進行分析，選取重燃過電壓的幅值頂點進行連接，并對該曲線進行擬合。最后將擬合曲線編寫進ATPdraw圖形輸入程序中斷路器分合閘條件，從而模擬實際狀態中并聯電抗器連續電弧重燃與熄滅機理模型。

最終得到如圖1所示的斷路器熄弧重燃仿真模塊，包括3個輸入量Isi、Usi和ULi，1個輸出量Ki。其中Isi為流經斷路器的電流，Usi為斷路器電源側電壓，ULi為斷路器負載側電壓，Ki是輸出變量，決定開關的狀態。考慮到斷口的雜散參數和損耗，在斷路器兩側并聯上0.8nF電容和0.1Ω電阻。

2 基于運行變電站的電路仿真模型

根據實際的變電站中的設備參數及系統連接方式在ATP中建立仿真模型，如圖2所示，根據變電站設計數據，結合線路電感、寄生電容、斷路器開斷后的等效電感電容、電抗器本身電容及電阻等，并聯電抗器電感值為40.9mH，電抗器兩端雜散電容值0.003uF，電感電阻值設定為96kΩ，線路電感設定為10μH，電抗器與斷路器連接電纜長度80m，站用變與斷路器連接電纜長度20m，型號均為ZRB-YJV22-8.7/15-3×240，電源電壓設定為10.5kV，并設定斷路器分閘時間節點為0.02s，分析電抗器分閘過程中重燃過電壓對電抗器、母線、站用變、PT過電壓的影響。

其中，主變壓器型號為SFSZ10-240000/220，額定容量為180MVA，額定電壓為230kV，高、中、低繞組容量分配為180/180/90，空載損耗為86.273kW，空載電流百分數為0.068%，變壓器中性點經放電間隙并聯避雷器接地。

并聯電抗器型號為BKK-2667/10，其單相額定容量為2667Mvar，額定電壓： ，額定電流：462A，星形連接，中性點不接地接線方式，三相電抗分別為12.85、12.61、12.83，電感值分別為40.9mH、40.14mH、40.84mH。并聯電抗器單相入口等效電容取為3nF。

站用變型號為DKSC400/10，額定容量為400kW。

連接電抗器和斷路器以及連接站用變和母線所使用的10kV三芯電纜型號均為ZRB-YJV22-8.7/15-3×240，電抗器與斷路器連接電纜長度80m，站用變與斷路器連接電纜長度20m。該電纜的單位長度電容值約為0.2603nF/m，單位長度電感值約為0.36μH/m，單位交流電阻約為0.153Ω/km。

3 仿真結果

3. 1 重燃過電壓狀態下電流仿真

采用以上參數和模型進行10kV真空斷路器開斷并聯電抗器的仿真，真空斷路器重燃過電壓狀態下電流波形圖如圖3所示，其中A、B、C三相顏色分別為藍、紅、綠。由圖3可知，在20ms（設定開斷時間點）后，通過斷路器的電流急劇震蕩，產生高幅值 、高頻率震蕩波，后逐漸減小至0，通過暫態放大圖（如圖3-4所示）可以看到，約在20ms到20.3ms時間中發生重燃。

3.2 重燃過電壓狀態下電壓仿真

對電抗器首端電位進行仿真，仿真結果如圖5所示，在斷路器開斷時，電抗器首端電壓發生劇烈震蕩，產生高頻、高幅值震蕩波，其過電壓最大值為48.86kV，與現場試驗47.458kV接近。對比圖4及圖6，可以以看到，在重燃過程中，電抗器首端過電壓波形呈無規則的高頻震蕩，在斷路器完全斷開后呈現震蕩衰減。

對站用變首端電壓進行仿真，仿真結果如圖7所示。在斷路器開斷時，站用變首端電壓發生劇烈震蕩，產生高頻、高幅值震蕩波，其過電壓最大值為40.79kV。

由圖可知其過電壓最大值為48.86kV，與現場試驗過電壓47.458kV接近，站用變首端過電壓為40.79kV，現場試驗檢測數據為44.56kV，驗證了本文中計算模型的有效性。

4總結

（1）基于現場重燃過電壓測量波形，擬合出斷路器重燃熄滅模型，利用ATP仿真程序對變電站中重燃過電壓進行模擬仿真。

（2）將仿真重燃過電壓波形圖與現場實際重燃過電壓進行對比，過電壓波形大致相同，電抗器處過電壓幅值基本一致，設定的仿真模型能有效的反映現場實際運行情況。

（3）測量圖斷路器在進行分閘操作時，電流和電壓都要經過一個暫態過程之后，才能進入穩態運行狀態，暫態過程主要表現為震蕩衰減形式。

（4）電抗器首端過電壓幅值受斷路器重燃次數的影響，重燃次數越多，幅值累積越高。斷路器重燃原因為斷路器兩端電壓大于絕緣強度，在分閘過程中表現為暫態恢復電壓上升率大于介質絕緣強度恢復速率。重燃過程中的電流頻率很高，所以導致重燃過電壓幅值大、頻率高。

（5）站用變處過電壓幅值收斷路器母線側電壓的影響，由母線側過電壓通過母線和電纜傳導，所站用變處過電壓和母線過電壓波形相似。

參考文獻

[1] Parikh U， Bhalja B R. Challenges in field implementation of controlled energization for various equipment loads with circuit breakers considering diversified dielectric and mechanical? characteristics[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems， 2017， 87：99-108.

[2] 周興梅， 彭慶軍， 姜雄偉. 12kV真空斷路器開斷并聯電抗器過電壓抑制[J]. 云南電力技術， 2017， 45（02）： 113-119.

[3] 王伯翰，張新平. 真空滅弧室的電弧老練作用[J]. 清華大學學報，1994，34（1）：83-90.

[4] Robertson J. Method of and Apparatus for Forming Metal Articles： Britain， 19356[P].1893-10-14.

[5] Bondarenko G G， Udris Ya Ya， Yakushin V l. On behavior of W-Cu composition as a candidate divertor? material under irradition by high? intensive hydrogen plasma[J]. Fusion Engineering and Design， 2000， 51： 81-84.

[6] 張照輝. 真空斷路器投切10kV并聯電抗器過電壓機理研究[D]. 重慶大學，2015.

[7] 陳嵩， 楊慶， 魏鋼，等. 真空斷路器開斷并聯電抗器過電壓抑制措施[J]. 電網技術， 2019（4）.

項目名稱：真空斷路器投切并聯電抗器暫態過電壓抑制方法研究.

項目編號：031900KK52190001