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真空断路器开断电抗器操作过电压产生的原因和抑制的方法

1.应用中的问题探讨

随着电力系统电网的不断扩大,中试控股为了保证系统稳定运行和供电质量,电网中、特别是在枢纽变电所,其低压侧均装设了用于无功调节的电抗器组。这种设备,出于其调节功能的需要,通常是投切频繁,同时,受安装场地等客观因素的影响,在其开断设备的选择上,具有灭弧能力强、触头损耗小、开断次数多、维护少、检修周期长等优点的真空断路器,成为设计优选方案。电抗器属于储能元件,在运行操作过程中,由于其工作状态发生变化,可能产生数倍于电源电压的操作过电压。真空断路器是采用真空作为灭弧介质,在开断电抗器时,其操作电压产生的机理和类型,与油断路器有所不同。

1中试控股产生操作过电压的原因

真空断路器开断电抗器时,操作过电压一般可分为:截流过电压、三相同时截流过电压和高频重燃过电压三种。另外,由于断路器的制造工艺问题,在合闸时发生弹跳,引起操作过电压的情况则更为复杂。

(1)截流过电压。

①产生的原因是因真空断路器灭弧能力强,在开断电抗器时,可能在电流到达零点之前发生强制熄灭,这就是断路器的截流。此时有大的电流变化率而电抗器侧压降UL=L,即形成过电压。

②影响截流过电压大小的因素,根据理论计算,截流过电压倍数Kn可用下式表出:

式中ηm——磁能转化为电场能的损耗系数,小于1

fo——自振频率,大小为2π

f——工频50Hz

α——截流相角

由此可见,影响过电压倍数的两个主要因素为:

a.电抗器电感的大小及外部联线与电气设备的杂散电容大小;

b.截流角度α,当α→90°,即电流在接近峰值处被截断,过电压倍数达最大值,过电压现象最为严重。

对于真空断路器而言,其截流水平也直接影响操作过电压倍数,而截流水平又与真空灭弧室的制造工艺及断路器服务对象有关。强灭弧能力的真空断路器,在开断小电流时,截流过电压产生的机率较高,对于大电流负载则可能不会产生明显的影响。

(2)三相同时截流过电压。

从物理角度而言,图(1)中,断路器K开断后,L、C电路中定会产生高频率的能量振荡。在截流初始,恢复电压因高频振荡上升较快,此时断路器触头间抗电强度有限,触头间易发生电弧重燃,电容C上的电荷就要通过C—Lk—Cs回路进行高频放电,该高频电流过零时,电弧又熄灭,接着又可能多次出现重燃又熄弧的过程。所以在某些情况下,如开断感性小电流时,触头间的重燃相当于自动的放电间隙,限制了过电压幅值。另一方面,当电抗器与断路器通过三相电缆联接时,其电缆芯线间有相间互电容和互电感,使得当一相开断截流而产生过电压和重燃时,其暂态高频电流通过电磁耦合至其它两相同时感应出一个高频电流。该高频电流与原有的工频电流叠加,其结果可使两相电流瞬间过零而被截断。对于50Hz的工频而言,上述高频振荡过程极快,可视为三相同时截流,即在三相中同时产生截流过电压,且在后两相中的截流值可能很大,从而产生很高的过电压。

(3)高频重燃过电压。

中试控股此处讨论的高频重燃过电压,是基于真空断路器切断较大电流且并未发生截流时出现的多次重燃。

当工频电流过零时,真空断路器开断熄弧,电容C即向电感L放电,开始振荡,触头间出现恢复电压Uh,当电压等于断路器恢复强度时,发生第一次重燃;当振荡电压第一次达到幅值时,其值应为U1=Em(电源电势)+Uh,此时振荡电流第一次过零,再次熄弧,但电流值已非初次开断时的零值,即高频电流幅值大于工频电流瞬时值。如此反复,振荡电流不断升高,振荡最高电压不断加大,过电压可达极高幅值。虽然振荡必将衰减至稳态值,但已可能对设备绝缘产生严重危害。

2抑制操作过电压的措施

由上文分析可知,对电抗器操作过电压的抑制措施,主要从降低过电压出现的机率、抑制过电压幅值和降低过电压陡度等几方面入手,具体措施总结如下:

(1)采用低电涌真空灭弧室断路器:

由于真空断路器开断电抗器时,必然带来截流过电压问题,且电抗器的损耗相对较小,对减小过电压不利,因此在选用合分设备时,应注意考虑断路器的截流性能,选取低截流值的真空断路器;若截流值太高,应考虑在断路器上加装并联电阻,从而达到合理选择设备参数,降低过电压出现机率的目的。

(2)采用避雷器:

选用金属氧化物避雷器,具有理想的伏安特性。它不仅能防止雷电引起的外部过电压,而且能抑制因开断电抗器引起的内部操作过电压。因为在正常运行低电场强度下,其电阻率为1010~1011Ωm,漏电流极小,相当于一绝缘体;而当电场强度达到106~107V/m时,其电阻率迅速下降至低电阻状态,因而可使过电压能量迅速泄放,达到限制过电压进一步升高的目的。

中试控股金属氧化物避雷器与阀式避雷器相比,不仅具有结构简单、体积小,通流容量大,使用寿命长的优势,而且由于其非线性特性,残压低,抑制过电压能力强,动作电流也比阀式避雷器偏低,对大气过电压和操作过电压均能起到保护作用。此外,它对电涌陡度响应快,能吸收任何波形的流涌电压,无间隙,无工频续流,避免了工频放电电压的不稳定性和冲击放电电压的分散性。所以金属氧化物避雷器是较理想的保护操作过电压元件。

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