真空斷路器開斷并聯電抗器過電壓組合抑制方法研究

廣東電網有限責任公司東莞供電局 唐錦堯 黃秋達

關鍵字：真空斷路器；并聯電抗器；RC阻容器；過電壓

1 采用組合保護限制過電壓

并聯電抗器在正常切斷時，會產生過電壓現象，加裝避雷器雖然可以抑制重燃過電壓，但抑制效果較差，過電壓幅值較高，頻率較大，衰減時間長，無法對并聯電抗器進行有效的保護，長期處于高頻電壓的電抗器使用壽命將會縮短[1-2]。并且，避雷器在頻繁動作后，會降低使用壽命。

而單獨使用RC 阻容器能夠有效抑制重燃過電壓的幅值和頻率，保障系統能夠安全穩定地運行。但根據設備實際運行狀況分析，使用單一的保護裝置在正常情況下能有效對過電壓進行抑制，但在異常情況中（RC 阻容器損壞）對過電壓的抑制效果將會削弱，嚴重時，可能使并聯電抗器處于無保護狀態[3-4]。

為能有效地抑制異常情況下過電壓的發生，消除因斷路器故障而使事故擴大的概率，及時有效的幫助尋找故障原因。本節提出使用組合式保護裝置，即將氧化鋅避雷器與RC 阻容器并聯裝設在電抗器兩端，將氧化鋅避雷器單獨裝設在站用變兩端。在正常的開斷過程中，保護裝置為RC阻容器，可以將切斷過電壓的幅值和頻率限制在一定范圍之內，當出現一行情況時，避雷器單獨或與RC 阻容器配合動作，限制重燃過電壓，起到保護的作用。

2 正常情況下組合保護對過電壓的抑制情況

選用0.15μF+100Ω 的RC 阻容器和避雷器進行混合使用，分別在電抗器電纜靠電抗器側和站用變電纜靠站用變側各加裝1支避雷器，并在電抗器前端加裝RC 阻容器，仿真圖如圖1所示，仿真結果如圖2所示。

圖1 組合保護仿真圖

圖2 組合保護下的過電壓仿真圖

通過分析可得，在發生重燃過電壓時，RC 阻容器率先對過電壓進行抑制保護，使過電壓幅值大幅度降低（低于避雷器動作值），即避雷器未動作。此時，電抗器處的過電壓幅值為8.8kV 和13.3kV。

3 異常情況下組合保護對過電壓的抑制情況

根據運行經驗和大量事故分析，現階段RC 阻容器的質量參差不齊，尤其是電容器質量更是易損易壞，常用的電容器由大量的電容器單元連接而成，外殼為瓷套。在長期運行過程中，因內部電容單元逐漸老化而造成電容器容值增大，嚴重時，電容器可能燒毀造成RC 阻容器失效[5-7]。當發生RC阻容器故障時，切斷并聯電抗器過程中所產生的重燃過電壓不能得到有效的抑制，易導致故障擴大，可能對并聯電抗器和站用變產生嚴重的損傷。利用組合式保護裝置，可有效抑制異常情況下的重燃過電壓。

3.1 RC 阻容器單相發生故障時

當RC 阻容器中單相電容內部部分單元發生故障，導致單相電容器容值增大時（假定A 相從0.15μF 增大至1μF），切斷并聯電抗器所產生的過電壓幅值會產生相應的變化，根據仿真得知，單一RC 阻容器和組合式保護裝置下的過電壓圖形一致。

當RC 阻容器中單相電容發生嚴重故障，電容開路，導致單相RC 阻容器與系統斷開（假定A 相發生故障），切斷并聯電抗器所產生的過電壓幅值會產生相應的變化，組合保護裝置下的過電壓仿真圖如圖3所示，單一RC 阻容器的過電壓仿真圖如圖4所示。

圖3 單相電容故障的過電壓仿真圖（組合保護裝置保護）

圖4 單相電容故障的過電壓仿真圖（單一RC 阻容器保護）

根據圖3所示，當發生單相電容值變大時，電抗器處過電壓為8.6kV，站用變處的過電壓為12.3kV，避雷器未動作；根據圖4所示，當發生單相電容損壞時，組合保護裝置下的電抗器處過電壓為16.8kV，站用變處的過電壓為15.1kV，而單一RC 保護下的電抗器處過電壓為21.6kV，站用變處的過電壓為28.8kV，此時避雷器動作。

3.2 RC 阻容器兩相發生故障時

在組合保護裝置保護下，當RC 阻容器中兩相電容內部部分單元發生故障，導致兩相電容器容值增大時（假定A、B 相從0.15μF 增大至1μF），切斷并聯電抗器所產生的過電壓幅值會產生相應的變化，根據仿真得到，單一RC 阻容器和組合式保護裝置下的過電壓圖形一致。

當RC 阻容器中兩相電容發生嚴重故障，電容開路，導致單相RC 阻容器與系統斷開（假定A、B相發生故障），切斷并聯電抗器所產生的過電壓幅值會產生相應的變化，組合保護裝置下的過電壓仿真圖如圖5所示，單一RC 阻容器的過電壓仿真圖如圖6所示。

圖5 兩相電容故障的過電壓仿真圖（組合保護裝置保護）

圖6 兩相電容故障的過電壓仿真圖（單一RC 阻容器保護）

當發生單相電容值變大時，電抗器處過電壓為11.6kV，站用變處的過電壓為12.7kV，避雷器未動作；根據上面可知當發生單相電容損壞時，組合保護裝置下的電抗器處過電壓為19.1kV，站用變處的過電壓為18.6kV，而單一RC 保護下的電抗器處過電壓為46.3kV，站用變處的過電壓為39.6kV，此時避雷器動作。

3.3 RC 阻容器三相發生故障時

在組合保護裝置保護下，當RC 阻容器中三相電容內部部分單元發生故障，導致三相電容器容值增大時，此時切斷并聯電抗器的過電壓時避雷器不會動作。

當RC 阻容器中三相電容發生嚴重故障，電容開路，導致三相RC 阻容器與系統斷開，切斷并聯電抗器所產生的過電壓幅值會產生相應的變化，組合裝置保護下的并聯電抗器過電壓仿真結果與只加裝避雷器的結果一致,采用單一RC 阻容器保護下的并聯電抗器過電壓仿真結果也與與無保護下的一致。

根據圖7、圖8所示，當發生單相電容損壞時，組合保護裝置下的電抗器處過電壓為19.2kV，站用變處的過電壓為19.2kV，而單一RC 保護下的電抗器處過電壓為48.9kV，站用變處的過電壓為35.9kV，此時避雷器動作。

圖7 三相電容故障的過電壓仿真圖（組合保護裝置保護）

圖8 三相電容故障的過電壓仿真圖（單一RC 阻容器保護）

根據本節仿真圖分析，當電容值出現增大時，RC 阻容器對過電壓的抑制情況雖有變化，但效果還是很明顯的，此時組合式保護和單一RC 阻容器保護效果一樣。當電容出現損壞時，RC 阻容器對過電壓的抑制情況出現明顯的下降，此時，組合式保護裝置與單一RC 阻容器保護效果差距明顯，尤其在電容器出現兩相和三相故障斷開的情況下。